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科研進展

昆明植物所在植物萜類化學防禦與形成機制研究中取得新進展

文章来源:植物化學與西部植物資源持續利用國家重點實驗室  |  发布时间:2020-09-16  |  作者:刘燕  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  萜類化合物是天然産物中最大的類群,結構多樣,活性廣泛,具有重要的藥用和經濟價值。植物合成萜類化合物的真正目的通常被認爲是調節其自身生長發育(如植物激素赤黴素、脫落酸和獨腳金內酯)以及抵禦各種生物脅迫(如昆蟲拒食劑印楝素和除蟲菊酯)。倍半萜爲萜類化合物中的一個重要家族,具有豐富的化學結構和生物功能雙重多樣性,其中杜松烯類倍半萜由于其獨特的活性與功能成爲該家族中最爲耀眼的成員之一,如抗瘧疾藥物青蒿素和植保素棉酚等。 

  紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum Spreng)在我国是一种严重的外来入侵植物,具有强大的化学防御系统,但其防御物质及生物合成机制尚属未知。近期,中國科學院昆明植物研究所活性天然产物发现与生物合成团队黎胜红研究组综合运用植物化学、分子生物学、生物化学、合成生物学等技术,揭示了紫茎泽兰中杜松烯类倍半萜的体内外抗虫防御功能,解析了其生物合成途径的关键步骤,并构建了杜松烯类天然产物的异源合成通路。经各种诱导处理以及代谢分析发现,6個杜松烯類倍半萜是紫莖澤蘭的主要組成型和誘導型防禦物質,這些化合物均表現出顯著的昆蟲拒食活性。在此基礎上,對杜松烯類倍半萜的生物合成開展了研究,從紫莖澤蘭中克隆並功能鑒定了3個倍半萜合酶基因,包括一個新穎的倍半萜合酶EaTPS1,能夠催化其中2個關鍵中間體amorpha-4,7(11)-diene (–)-amorph-4-en-7-ol的合成。在大腸杆菌中構建了這兩個化合物的從頭合成通路,從10 L搖瓶培養液中分離純化了550 mgamorpha-4,7(11)-diene35 mg(–)-amorph-4-en-7-ol單體化合物,並通過1D2D NMR等波譜技術確證了其結構。通過基因表達模式和化合物積累的相關性分析,證實了EaTPS1在紫莖澤蘭中參與杜松烯類倍半萜的生物合成,並發現機械損傷和MeJA處理降低EaTPS1基因的表達但能促進化合物的釋放。在煙草中瞬時表達EaTPS1基因,發現轉基因煙草也能合成amorpha-4,7(11)-diene (–)-amorph-4-en-7-ol,同時抗蟲防禦功能也得到提高,進一步證實了EaTPS1在植物體內的功能。該研究首次揭示了紫莖澤蘭的化學防禦物質及其形成機制,並實現了杜松烯類倍半萜的異源合成,爲該類天然産物的生物活性和合成生物學深入研究奠定了重要基礎。 

  該研究結果以“Characterization of defensive cadinenes and a novel sesquiterpene synthase responsible for their biosynthesis from the invasive Eupatorium adenophorum”爲題發表在New Phytologist上。劉燕副研究員和駱世洪教授(現工作單位:沈陽農業大學)爲該論文的並列第一作者,黎勝紅研究員爲通訊作者。該研究得到國家傑出青年基金項目、雲南生物醫藥重大專項、雲南省創新團隊、中科院青年創新促進會和中科院“西部之光”專項基金等資助。 

  文章鏈接 

 

1 杜松烯类倍半萜生物合成途径(左圖)以及EaTPS1基因表达模式和化合物积累(右圖) 

 

2 工程大肠杆菌(左圖)和本氏烟草(右圖)异源合成amorpha-4,7(11)-diene (–)-amorph-4-en-7-ol 

(責任編輯:李雪)

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