特色南藥益智圓柚酮生物合成研究取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所與武漢大學(xué)藥學(xué)院、泰康醫(yī)學(xué)院和中南醫(yī)院等單位聯(lián)合發(fā)布了海南特色南藥益智特征化合物圓柚酮合成代謝機(jī)制及生物合成的最新研究成果，研究團(tuán)隊(duì)成功解析了益智圓柚酮的生物合成途徑并利用挖掘到的關(guān)鍵基因在工程菌中實(shí)現(xiàn)了圓柚酮的全生物合成。

益智始載于唐朝《本草拾遺》，距今已有一千三百多年的歷史，是海南省四大特色道地南藥之一。作為橡膠林下經(jīng)濟(jì)重要的種植作物，已被海南省主推為十大天然橡膠林下經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式作物之一（橡膠林下間作益智模式）。益智成熟種子中含有豐富的圓柚酮，是益智的特征化合物，其含量高低是判別益智仁品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。如何精準(zhǔn)評(píng)價(jià)并且選育適合橡膠林下種植的優(yōu)異益智品種，提升橡膠林下經(jīng)濟(jì)的效益是該產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效面臨的一個(gè)很重要的應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題。解決這一問(wèn)題有賴于弄清楚該特征化合物生物合成的關(guān)鍵基因。

為此，研究團(tuán)隊(duì)采用前期開(kāi)發(fā)的基于底盤(pán)的高通量基因篩選策略，對(duì)益智轉(zhuǎn)錄組中的圓柚酮代謝途徑的候選基因進(jìn)行了大量篩選，成功挖掘到了圓柚酮代謝環(huán)節(jié)的合成酶基因，通過(guò)體內(nèi)外生化實(shí)驗(yàn)解析了圓柚酮的合成代謝機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)邊篩選邊構(gòu)建的方式，優(yōu)化了合成代謝關(guān)鍵酶基因的表達(dá)與活性，最終完成了工程酵母中的代謝重構(gòu)。該研究特別發(fā)現(xiàn)一個(gè)赤霉素合成途徑的CYP701家族基因具有氧化瓦倫烯的新功能，這為揭示植物CYP450酶的雜泛性增添了一個(gè)新的案例。

研究成果將有助于推進(jìn)南藥益智進(jìn)入分子育種時(shí)代，可為利用分子聚合育種等新型生物育種技術(shù)在優(yōu)良中藥材特殊功效化合物圓柚酮的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)與選育種方面提供關(guān)鍵的靶標(biāo)基因，也為利用代謝工程與合成生物學(xué)技術(shù)綠色合成圓柚酮提供了新的合成基因資源與策略。