The Plant Journal | 基因组所李伟团队联合周绍群团队解锁远志 “健脑抗抑郁” 分子密码

近日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）李伟团队联合周绍群团队在《植物杂志（The Plant Journal）》上在线发表题为“Independent recruitment of enzymes for phenylpropanoid sucrose ester biosynthesis in Polygala tenuifolia”的研究论文。该研究成功解析药用植物远志的高质量基因组，并鉴定得到与药效有关的关键合成酶，为远志的分子育种、道地药材品质提升提供了关键基因靶点，也为中药来源的新药研发提供了新思路。

苯丙素蔗糖酯（Phenylpropanoid sucrose esters, PSEs）广泛存在于被子植物，结构丰富、药理活性突出，代谢稳定性强、口服利用度高，在神经保护、抗抑郁领域应用前景广阔，具备新药开发潜力。

远志（Polygala tenuifolia）是远志科神经保护类药材的基源植物，常用于改善失眠、焦虑、健忘等情志相关病症，安神益智功效明确，Sibiricose A5和Sibiricose A6是其核心药效成分，拥有明确神经修复活性。但长期以来，远志 PSEs 生物合成通路、跨物种进化机制始终缺乏系统解析，制约远志品质分子改良与 PSE 类先导化合物挖掘。

研究整合基因组、转录组、代谢组多组学分析，结合大肠杆菌微生物底盘合成、体外酶活验证等技术，筛选并功能鉴定催化Sibiricose A5、Sibiricose A6生成的核心酰基转移酶 PtSHT，阐明远志与单子叶玉米依靠不同进化分支 BAHD 酶合成同类活性物质的独立招募规律。随后将本研究发掘的关键酶整合到大肠杆菌底盘实现十余种新 PSE 分子合成。本成果搭建的PSEs挖掘与绿色生物合成技术体系，弥补低丰度植物天然产物发掘手段不足的短板，为药用植物反向遗传学研究提供参考范式。

研究以国内远志主栽品种‘晋远 1 号’为材料，利用PacBio HiFi 联合 Hi-C 技术完成染色体水平高质量基因组组装，基因组大小 678.38 Mb，共挂载 19 条染色体，BUSCO 完整性达 99.30%，注释得到 32996 个蛋白编码基因，为解析远志 PSEs 生物合成奠定基因组基础（图1）。

图1 | 细叶远志（Polygala tenuifolia）植物及其基因组测序组装注释

多组织代谢组检测证实，Sibiricose A5和Sibiricose A6特异性富集于远志根部皮层。随后基于远志转录组与代谢组的皮尔逊相关性分析，筛选出与Sibiricose A5和Sibiricose A6积累高度相关的5个候选BAHD酰基转移酶基因。大肠杆菌全细胞催化和体外蛋白酶活证明，候选基因中蔗糖羟基肉桂酰基转移酶PtSHT1具有催化Sibiricose A5和Sibiricose A6活性。系统发育与基因复制分析显示，PtSHT1、PtSHT2、PtSHT3和PtSHT4 在 Clade 3 分支下互为旁系同源基因，其中PtSHT2和PtSHT3亦可催化Sibiricose A5的合成（图2）。

图2 | 远志PSEs生物合成途径候选 PtBAHDs 基因的挖掘与催化活性鉴定

前人研究发现玉米（Zea mays）根与茎秆组织中同样富含PSE类物质，且其合成依赖于玉米中的BAHD酰基转移酶ZmSFTs。而本研究的系统发育分析和跨物种微共线性比对表明远志与玉米中参与PSE合成的BAHD家族酰基转移酶编码基因并不属于同源亚族，且本研究中所鉴定到的多个PtSHT在玉米基因组中不存在直系同源基因，而ZmSFT在远志中的同源催化酶不具有合成活性。这一发现揭示了不同植物谱系在进化过程中独立招募BAHD酰基转移酶以合成结构相似的PSEs，是典型的代谢趋同进化现象（图3）。

图3 | 远志Sibiricose A5/A6关键合成酶SHT的独立招募机制分析

本研究进一步在大肠杆菌底盘中组合表达 BAHD 候选酶，探究双羟基肉桂酰化PSEs的合成潜力。将 PtSHT1 与同样来源于远志的羟基肉桂酰基蔗糖羟基肉桂酰基 转移酶PtHSHT1或PtHSHT2 共表达后，Disinapoyl sucrose和3′-Feruloyl, 1′-Sinapoyl sucrose产量提升数倍至数十倍。同时，源于不同物种的PSE合成酶组合表达生成多种全新双羟基肉桂酰化PSEs（图4）。上述结果证明，BAHD 酶组合催化丰富了 PSE 分子多样性，新合成的化合物将推动抗抑郁、安神和益智等神经保护类药物的筛选与研发。

图4 | BAHD酰基转移酶的组合表达产生结构多样的双羟基肉桂酰化PSEs

基因组所（大鹏湾实验室）李伟研究员和周绍群研究员为论文的共同通讯作者。华中农业大学与基因组所联合培养博士生邓仁榆，基因组所（大鹏湾实验室）博士后余胜为论文共同第一作者。山西农业大学经济作物研究所田洪岭研究员与汤普森研究所Georg Jander研究员为本项目提供了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.71000