Nature Communications |西南大学廖志华教授团队揭示茄科托品烷生物碱生物合成途径的演化机制

以下文章来源于分子生药创新团队 ，作者曾令江

托品烷生物碱（Tropane Alkaloids，TAs）是一类具有托品烷环骨架的含氮化合物，其在茄科广泛分布。莨菪碱及其衍生的东莨菪碱是具有重要药用价值的代表性TAs，只在少数茄科种属中合成。莨菪碱和东莨菪碱均为抗胆碱基本药物，用于麻醉镇痛、止咳平喘、舒缓胃肠不适、治疗晕动症、缓解近视和解除有机磷农药中毒等。近年来廖志华教授团队在东莨菪碱生物合成途径解析方面开展了大量工作，从鸟氨酸和苯丙氨酸到东莨菪碱的完整生物合成途径，总共有13个基因，廖志华教授团队报道了其中5个基因：ODC（Zhao et al. ACS Synthetic Biology. 2020）、PPAR（Qiu et al. Organic Letters. 2018）、UGT1和LS（Qiu et al. New Phytologist. 2020）以及 HDH（Qiu et al. ACS Catalysis. 2021），为东莨菪碱生物合成途径的完整解析做出了重要贡献并为采用代谢工程或合成生物技术生产莨菪碱和东莨菪碱提供了必需基因。然而，关于托品烷生物碱生物合成途径的演化机制并不清楚。

2023年3月15日，廖志华教授团队在Nature Communications上发表了题为《Revealing evolution of tropane alkaloid biosynthesis by analyzing two genomes in the Solanaceae family》的研究论文，揭示了茄科托品烷生物碱生物合成途径的演化机制。大多数茄科植物都能够产生托品，而仅有颠茄和草本曼陀罗等少数茄科药用植物能够产生莨菪碱和东莨菪碱。托品经过一系列连续酶促反应最终生成莨菪碱和东莨菪碱。廖志华教授团队首先获得了染色体级别的颠茄和曼陀罗基因组。颠茄基因组有36对染色体，大小为1.59Gb，，ScaffoldN50为42.83Mb， 36条染色体上。曼陀罗基因组有12对染色体，大小约为 1.84 Gb， ScaffoldN50 大小为 156.09 Mb。这两个物种的基因组都比茄科园艺植物番茄和土豆要大，而两种不同的进化动力驱动了颠茄和草本曼陀罗基因组的扩张，颠茄基因组发生了一次物种特有的三倍化事件，而草本曼陀罗基因组则在约60万年前有一次LTR-RT的爆发。

该研究发现茄科植物共有的一个由CYP82M3和TRI构成的基因簇是托品广泛分布于茄科植物的重要遗传基础；栽培药材颠茄和草本曼陀罗共享一条高度保守的途径来合成莨菪碱和东莨菪碱；其他茄科植物丢失了位于TRI下游的生物合成基因，如LS和CYP80F1，从而导致无法合成莨菪碱和东莨菪碱。

茄科保守的CYP82M3-TRI基因簇是托品在茄科广泛分布的重要遗传基础

在此基础上，筛选获得了具有高催化活力的TRI和LS，为采用代谢工程和合成生物技术生产mTAs提供了高质量元件；新发现了莨菪碱N-脱甲基酶，其功能是将莨菪碱转化为N-去甲莨菪碱（治疗慢阻肺特效药异丙托溴铵的关键中间体）。颠茄既是生产mTAs的重要栽培药材，也是研究TAs代谢的模式植物，其高质量基因组的发布，为进一步发现TAs代谢相关基因和培育优质颠茄种质奠定了基础。

基于基因组挖掘药用托品烷生物碱合成途径的新酶

西南大学生命科学学院张芳源副教授为该论文第一作者，廖志华教授为通讯作者。东北林业大学、西藏农牧学院和中国中医科学院中药资源中心参与了该研究。四川大学刘建全教授对该研究提供了帮助。该研究得到了NSFC-云南联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目和中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设” 的资助。

作者介绍：

张芳源，男，西南大学生命科学学院副教授。主要从事药用植物天然产物生物合成、代谢调控与合成生物学研究。以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Molecular Plant、New Phytologist、Plant Physiology和Journal of Experiment Botany等期刊发表研究性论文。

廖志华，男，西南大学生命科学学院教授。长期从事植物天然产物生物合成与代谢工程研究，特别聚焦于两个研究方向:1）托品烷生物碱生物合成与代谢工程研究；2）青蒿素生物合成代谢调控与代谢工程研究。发现了莨菪碱生物合成途径中 5 个酶及其基因(ODC、PPAR、UGT1、LS 和 HDH)，为东莨菪碱生物合成途径的完整解析做出了重要贡献并为莨菪碱在酵母中 生物合成提供了必需的基因;阐明了茄科植物中 TAs 生物合成途径的演化过程;建立了以草甘膦为筛选压力的颠茄植株再生技术，培育出莨菪碱/东莨菪碱高产且抗除草剂草甘膦的颠茄转基因纯系。作为通讯作者发表在 Nature Communications、ACS Catalysis、Metabolic Engineering、Molecular Plant、Acta Pharmaceutica Sinica B、New Phytologist、Organic Letters 和 ACS Synthetic Biology等期刊发表研究论文50余篇，转让 4 项 TAs 研究的授权发明专利。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37133-4

转自：“iPlants”微信公众号

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