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药用植物紫锥菊活性成分菊苣酸生物合成途径解析

紫锥菊是一种原产于北美洲的药用植物,最初被北美大平原地区的印第安人用来治疗蛇咬伤、咳嗽和感冒等。在欧洲人踏上新大陆之前,紫锥菊已经有了四百多年的药用历史,后来引入欧洲并沿用至今。目前,紫锥菊已成为世界范围内广泛使用的植物药之一。临床试验结果表明紫锥菊可能具有缩短感冒周期的作用。2019年紫锥菊在美国主流市场销量达1.2亿美元,在2020上半年销量更是激增,全年销量有望突破2亿美元。菊苣酸是紫锥菊的主要成分,含量最高达干重的4%。尽管近年来多项研究发现菊苣酸具多种生物活性,如抑制HIV整合酶、抗炎、抗氧化、抗病毒、抑制肥胖、抗肿瘤等,然而,其生物合成途径一直不清楚。

图1. 紫锥菊


四川大学生命科学学院张阳付饶团队日前完整解析了菊苣酸的生物合成途径。该团队研究人员结合传统生物化学方法及现代植物分子生物学研究手段,首先成功建立了体外酶反应体系,通过酶的分离和纯化,结合蛋白质谱,筛选了候选结构基因;其次通过分子克隆、异源表达、体外酶活验证、体内过表达及沉默验证等方式,对候选基因功能进行了确认,在此过程中对酶的相关性质进行了研究;最后成功解析了紫锥菊中菊苣酸的生物合成途径,并在烟草中成功实现了异源构建。


菊苣酸的生物合成涉及了植物中已知的两大家族酰基转移酶BAHD和SCPL。在胞质中,两个BAHD家族成员EpHTT和EpHQT分别催化咖啡酰辅酶A和酒石酸及奎宁酸反应生成咖啡酰酒石酸及绿原酸,两个产物进入液泡中后,被SCPL家族成员EpCAS催化,生成菊苣酸和奎宁酸。已经鉴定功能的SCPL类酰基转移酶均采用1-O-β-葡萄糖苷作为酰基供体,而EpCAS酰基供体变为了绿原酸,这一发现改变了对于SCPL家族酰基转移酶的认知。

图2. 菊苣酸生物合成途径


该研究是药用植物研究领域的重要进展,为药用成分生物合成途径解析提供了新的研究思路。在匿名评审阶段,三位审稿人对本工作都给予较高评价。其中有审稿人特别指出:“……该研究表明,相对于当前依赖于基因组解析和共表达分析的常规思路,扎实的生化和酶研究技术仍然是在非模式植物中发现原创性化合物合成途径的最重要方式…….”。本文使用的方法尤其适用于中药材中有效成分生物合成途径,对于一些完全未知的生物代谢过程,传统的生物化学方法依旧是值得信赖的研究手段,结合目前的蛋白质谱技术及测序方法,可以有效解析天然产物合成途径,为后期合成生物学研究提供元件。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,四川大学生命科学学院副研究员付饶和博士研究生张评瑜为该论文的共同第一作者,张阳研究员为通讯作者。


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Versatility in acyltransferase activity completes chicoric acid biosynthesis in purple coneflower

Rao Fu, Pingyu Zhang, Ge Jin, Lianglei Wang, Shiqian Qi, Yang Cao, Cathie Martin, Yang Zhang

Nat. Commun., 202112, 1563, DOI: 10.1038/s41467-021-21853-6


付饶博士简介


付饶,四川大学特聘副研究员,四川大学首届3+2+3项目入选者,于2016年获得四川大学植物学博士学位,致力于植物天然产物研究,包括活性成分发现、分离鉴定、药理活性及机制、生物合成及调控等。目前以第一作者或通讯作者发表SCI论文十多篇,包括Nature Communications, Molecular Plant, Medicinal Research Reviews, Journal of Ethnopharmacology, Industrial Crops and Products等。


张阳博士简介


张阳,四川大学生命科学学院研究员,博士生导师。2009年至2015年在英国约翰英纳斯中心(The John Innes Centre)进行博士和博士后研究,获得英国东安格利亚大学博士学位。2016年起在四川大学生命科学学院建立植物次生代谢工程实验室。课题组长年致力于植物次生代谢研究,以模式植物和药用植物为主要研究对象开展特殊植物次生代谢产物的合成途径和调控机理研究。近年来课题组成员以通讯作者身份在Nature Communications, Molecular Plant, Medicinal Research Reviews, Plant Biotechnology Journal等学术杂志上发表多篇学术论文。


https://www.x-mol.com/university/faculty/67858 


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