长柄交让木中萜类合成酶的发现与功能表征：拓展非模式植物特殊代谢的化学空间

编辑推荐：为解决非模式植物Daphniphyllum macropodum萜类代谢机制不明的问题，英国约克大学团队通过长/短读长RNA测序构建高质量转录组，鉴定出10种萜类合成酶（TPS）和3种三萜环化酶（TTC），利用本氏烟异源表达系统结合GC-MS分析，发现4种单萜合成酶（产芳樟醇/柠檬烯等）、4种倍半萜合成酶（产石竹烯/α-愈创木烯等）及2种环阿屯醇合成酶，揭示了该物种萜类代谢的立体化学多样性，为特殊代谢进化研究提供新视角。

　　

在植物王国中，萜类化合物以其惊人的结构多样性和生态功能著称，从花香精油到药用成分均由其构建。然而，对于Daphniphyllum macropodum这种东亚特有的常绿灌木，其合成复杂萜类生物碱的能力虽早有记载，但相关酶学机制却长期笼罩在迷雾中。这种被中国传统医学用于治疗哮喘和风湿的植物，其叶片中蕴藏着怎样的分子工厂？为何能产生具有笼状多环结构的特殊代谢物？这些问题吸引着英国约克大学Benjamin R. Lichman团队的目光。

为破解这一谜题，研究人员采用牛津纳米孔PromethION长读长与Illumina短读长测序技术，构建了包含42,433个转录本的高质量转录组，BUSCO评估显示94.6%的保守基因完整。通过对叶芽、雌雄花等组织的表达分析，团队锁定10个TPS基因和3个TTC基因。借助本氏烟瞬时表达系统，他们将候选基因与限速酶HMGR2（3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶截短体）或DXS2（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶）共表达，通过气相色谱-质谱（GC-MS）解析产物谱。

关键技术包括：1）结合纳米孔与Illumina测序的混合组装策略；2）基于农杆菌浸润的本氏烟异源表达系统；3）针对不同萜类的三种提取方法（乙酸乙酯萃取、皂化衍生化、顶空固相微萃取）；4）手性柱分离的HS-SPME-GC-MS技术；5）体外酶活测定体系。

研究结果揭示多个突破性发现：
■ 前体供应优化：截短型HMGR2使缬草烯合成提升7倍，DXS2使芳樟醇产量显著增加，证实MVA和MEP途径的协同调控。
■ 立体化学分化：TPSb1与TPSg4分别专一性合成(R)-和(S)-芳樟醇，手性GC证实植物体内存在两种对映体，可能承担不同生态功能。
■ 多产物酶多样性：TPSb3产生α-蒎烯/柠檬烯等单萜混合物；TPSa1催化生成germacrene D及其重排产物cubebene等；TPSa3则以90%效率生成germacrene D-ol，成为稀有的倍半萜醇合成酶。
■ 三萜骨架构建：TTC1/2被证实为环阿屯醇合成酶，产物积累量提升3倍，但未发现与生物碱直接关联的中间体。

在讨论环节，作者指出三个关键科学意义：首先，D. macropodum的TPS家族规模（10个）远小于番茄（34个）等模式植物，暗示转录组数据尚未完全捕获其代谢潜力；其次，芳樟醇合成酶的独立进化路径为植物适应性辐射提供新案例；最后，germacrene D-ol合成酶的发现为萜类醇合成机制研究提供理想模板。尽管未能直接解析萜类生物碱的合成桥梁，该研究仍为这一非模式植物的特殊代谢进化研究奠定了分子基础。

这项发表于《BMC Plant Biology》的工作，不仅填补了Saxifragales目植物萜类生物合成的知识空白，更展示混合测序技术与异源表达系统在挖掘非模式物种代谢潜力中的强大效能。未来基因组数据的补充或将揭示更多隐藏在D. macropodum基因组中的化学秘密。