武汉大学鲁丽/刘天罡课题组解析南药益智中圆柚酮的生物合成途径

　　

近日，国际知名植物学期刊《New Phytologist》发表了刘天罡、鲁丽课题组在生物合成植物萜类天然产物方面的最新研究成果，标题为: “Complete pathway elucidation and heterologous reconstitution of (+)-nootkatone biosynthesis from Alpinia oxyphylla”。该研究利用萜类前体高效供应酵母底盘，以步步为营，层层推进的方式，解析了药用植物益智中圆柚酮的生物合成途径，为植物次生代谢途径解析及高附加值天然产物的绿色生物合成提供了新的研究方法。

圆柚酮是柚子味的特征分子，也是新一代安全的驱虫剂。从柚子等植物中提取的产量和成本难以满足市场的需求，急需建立新型替代的高效生物合成技术。益智是海南省特色道地中药材，是我国天然橡胶产业橡胶林下经济的重要种植单元。作为四大南药之一，益智仁具有益脾胃、理元气、补肾虚滑沥的功效。益智成熟种子中含有丰富的圆柚酮，其含量高低已作为判别益智果品质优劣的重要指标。

该研究利用前期开发的高效萜类前体供应酵母底盘，通过第一轮高通量筛选，鉴定到合成关键前体瓦伦烯的萜类合酶AoVS，并将瓦伦烯合成酶整合到酵母基因组中，构建了产瓦伦烯的工程酵母菌。利用该菌株进行第二轮筛选，鉴定了三个CYP450酶（AoCYP6/9/18）和一个AoCPR，能特异性的氧化瓦伦烯产生中间体诺卡醇。进一步将AoCYP18基因整合到酵母中，构建了产诺卡醇的工程酵母菌，利用该菌株进行第三轮筛选，鉴定了3个SDR脱氢酶（AoSDR1/2/3），成功在酵母底盘中合成了圆柚酮。通过边筛选边构建的的方式，该研究在解析了益智中圆柚酮的生物合成途径的同时，也完成了其在酵母中的重构。该研究特别发现参与整个圆柚酮合成途径的基因没有共表达特性，并且一个赤霉素合成途径的CYP701家族基因（AoCYP18）具有氧化倍半萜瓦伦烯的功能，这些发现揭示了植物代谢的网络性和复杂性，体现了利用工程酵母底盘进行高通量筛选的独特优势。

武汉大学鲁丽研究员与刘天罡教授为共同通讯作者。鲁丽课题组关注植物中次生代谢产物的合成途径解析及应用，刘天罡课题组关注萜类天然产物的创新发现，该研究是继刘天罡教授团队在实现真菌萜类天然产物高效发现之后（PNAS, 2021; Nature catalysis, 2021; Nature, 2022），在植物萜类天然产物生物合成领域的最新研究成果。中国热带农业科学院橡胶研究所邓小敏副研究员和武汉合生科技有限公司叶紫玲博士为该研究论文共同第一作者。该研究得到了武汉合生科技有限公司大力支持、以及国家重点研发计划（2022YFA0912100）、海南省自然科学基金高层次人才项目（320RC734）和湖北省博士后创新实践岗位项目（[2019] No.2）的共同资助。

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https://nph.onlinelibrary.wiley.com/share/6ZCY8V5GM5F8T7ZADUCR?target=10.1111/nph.19375