神圣莲花中萜烯合酶的系统鉴定及杀虫抗菌化合物γ-桉叶醇的异源生物合成研究

本研究针对神圣莲花(Nelumbo nucifera)中萜类化合物生物合成机制不明的科学问题，通过基因导向的异源挖掘和组合生物合成方法，系统鉴定了14个萜烯合酶(TPS)基因功能，发现高效γ-桉叶醇合酶NnTPS10，阐明其关键氨基酸N314决定二次环化的分子机制，并在酵母底盘实现γ-桉叶醇(801.66 mg/L)的从头合成。该研究不仅揭示了神圣莲花萜类生物合成途径，还为植物源天然产物的开发提供了创新策略。

　　

在植物与环境的长期协同进化过程中，萜类化合物作为重要的次生代谢产物，不仅构成了植物精油的主要成分，更在生态防御和种间通讯中扮演关键角色。神圣莲花作为古老的被子植物活化石，其精油中含有丰富的萜类成分，其中γ-桉叶醇(γ-eudesmol)尤为突出，具有潜在的药用价值。然而，受限于植物体内含量低、提取困难等问题，γ-桉叶醇的生物活性研究和应用开发长期受阻，其生物合成机制更是未解之谜。

武汉大学中南医院泌尿外科、湖北省基础生物科学研究中心的科研团队在《Horticulture Research》发表重要成果，通过系统鉴定神圣莲花萜烯合酶基因家族，成功解析了γ-桉叶醇的生物合成途径，并实现其高效微生物合成。研究人员采用基因组挖掘结合转录组分析筛选出14个TPS基因，通过酵母异源表达系统进行功能表征；利用AlphaFold2蛋白结构预测和定点突变技术阐明催化机制；最后通过模块化代谢工程策略优化酵母生产菌株。

研究首先通过系统发育分析将14个TPS基因分为TPS-a/b/c/e/g五个亚家族。功能研究发现：

1. 二萜合酶功能表征：鉴定出NnTPS6/7为ent-柯巴基焦磷酸(ent-CPP)合酶，与NnTPS5组合可产生赤霉素前体ent-贝壳杉烯。
2. I类TPS系统鉴定：发现TPS-a亚家族的NnTPS4具有广谱底物特异性，可产生β-榄香烯、α-红没药烯等产物；而NnTPS10特异性产生γ-桉叶醇(占比79%)。
3. 催化机制解析：通过嵌合体和定点突变证实N314是决定γ-桉叶醇二次环化的关键残基，其突变体NnTPS10^N314T主要积累中间体hedycaryol。
4. 生物活性验证：纯化的γ-桉叶醇对埃及伊蚊幼虫的LC₅₀为250 ppm，对立枯丝核菌的完全抑制浓度为200 ppm。
5. 代谢工程优化：通过多拷贝整合NnTPS10和强化MVA途径，工程菌株JE2的γ-桉叶醇产量达801.66 mg/L，创目前报道最高水平。

该研究首次完整揭示了神圣莲花萜类生物合成网络，阐明了γ-桉叶醇合酶的催化机制，其创新性体现在：1) 发现N314残基对萜类碳正离子中间体环化的调控作用，拓展了对TPS催化机制的认识；2) 建立的"基因组挖掘-异源表征-机制解析-底盘优化"研究范式可推广至其他植物天然产物研究；3) 创纪录的发酵效价为γ-桉叶醇的产业化应用奠定基础。这些发现不仅为理解神圣莲花的化学生态学提供新视角，也为开发新型植物源农药和抗菌剂提供了分子工具。