我校學(xué)者與多家機(jī)構(gòu)合作，在防己科芐基異喹啉生物堿結(jié)構(gòu)多樣性形成機(jī)制研究領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Lineage-specific CYP80 Expansion and Benzylisoquinoline Alkaloid Diversity in Early-diverging Eudicots（基部雙子葉植物芐基異喹啉類生物堿結(jié)構(gòu)多樣性形成機(jī)制）”為題，于2024年3月13日發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Advanced Science》（中科院一區(qū)，TOP期刊） 。我校首席教授陳士林院士為該論文的共同通訊作者。我校自2022年組織發(fā)布了千種本草基因組研究計(jì)劃，并已在《創(chuàng)新》（The Innovation）、《自然-植物》（Nature Plants）、《分子植物》（Molecular Plant）、《自然-通訊》(Nature Communications)等國(guó)際著名刊物發(fā)表了一系列本草基因組學(xué)研究成果。本文基于本草基因組學(xué)研究策略，報(bào)道了催化青藤堿等芐基異喹啉生物堿（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）生物合成骨架形成的新穎酶，發(fā)現(xiàn)種系特異的CYP80基因擴(kuò)張及新功能化驅(qū)動(dòng)了防己科物種芐基異喹啉生物堿（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）結(jié)構(gòu)多樣性，為BIAs藥用活性物質(zhì)的綠色合成及藥物開發(fā)提供支撐。
BIAs結(jié)構(gòu)類型多樣，藥用價(jià)值高，如鎮(zhèn)痛藥物嗎啡因、抗菌藥物小檗堿等，廣泛分布在雙子葉植物的早期分化類群及木蘭類中。近年來，陳士林院士團(tuán)隊(duì)相繼完成毛茛科黃連（Liu et al., Nature Communications, 2021）、罌粟科毛黃堇（Xu et al., Plant Journal, 2022）、防己科千金藤屬（Leng et al., Nature Communications, 2024）等物種中BIAs的代謝合成、起源進(jìn)化及抗病毒活性等研究。然而，多數(shù)BIAs結(jié)構(gòu)多樣性形成及修飾的關(guān)鍵酶仍然未知，如防己科物種積累的雙芐基異喹啉（千金藤素，抗病毒）、嗎啡烷類（青藤堿，抗風(fēng)濕）等，其結(jié)構(gòu)多樣性形成及進(jìn)化的分子機(jī)制尚不明確。
研究團(tuán)隊(duì)以防己科中藥北豆根（Menispermum dauricum）為研究對(duì)象，破譯其高質(zhì)量基因組，追溯其物種進(jìn)化、全基因組復(fù)制事件及染色體進(jìn)化歷程，提出“北豆根基因組可作為研究雙子葉植物進(jìn)化的理想模型”； 研究人員進(jìn)一步通過代謝組追蹤了北豆根不同部位BIAs的結(jié)構(gòu)類型差異；通過比較基因組發(fā)現(xiàn)防己科物種CYP80基因的顯著擴(kuò)張，該基因家族擴(kuò)張及組織特異性表達(dá)驅(qū)動(dòng)了BIAs不同結(jié)構(gòu)類型的多樣性。重要的是，創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)了催化牛心果堿發(fā)生C2'-C4a酚耦合反應(yīng)生成清風(fēng)藤堿（多花罌粟堿的對(duì)映異構(gòu)體）的新穎酶MdCYP80G10，該酶具有嚴(yán)格的立體選擇性，特異性識(shí)別（S）型牛心果堿。本研究為“基因組進(jìn)化驅(qū)動(dòng)植物代謝多樣性形成”理論提供新的范例。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309990
（供稿：中醫(yī)藥創(chuàng)新研究院/交叉學(xué)科研究院 本草基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)）