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龙牙楤木（Aralia elata）为五加科楤木属多年生灌木，是主产于我国东北东部林区重要的食药同源植物，亦被誉为“山野菜之王”，具有抗癌、抗炎、抗氧化及治疗心脑血管疾病的功效，三萜皂苷是其主要活性成分。虽然楤木属与“百草之王”人参属的亲缘关系较近（同属Aralia-Panax亚类群），但这二者间三萜皂苷的结构类型与丰度均存在显著差异。人参可合成大量的达玛烷型四环三萜皂苷，仅积累5种齐墩果烷型五环三萜皂苷，而龙牙楤木中不合成达玛烷型四环三萜皂苷，却积累100余种齐墩果烷型五环三萜皂苷。五加科植物三萜皂苷结构差异显著，药理活性也大不相同，其三萜皂苷生物合成和结构多样性机制备受国内外广泛关注。
2022年4月25日，东北林业大学李玉花教授团队联合沈海龙教授团队在国际著名学术期刊Nature Communications上发表了题为“Deletion and tandem duplications of biosynthetic genes drive the diversity of triterpenoids in Aralia elata”的研究论文，首次报道了由于达玛烯二醇合酶基因的缺失及三萜骨架位点特异性修饰酶的串联重复，导致五加科植物龙牙楤木中积累丰富多样的五环三萜皂苷的分子与进化机制。
本研究以龙牙楤木为研究材料，采用 PacBio 三代测序技术及 Hi-C 技术构建高质量的龙牙楤木基因组图谱。研究发现，楤木属植物在大约12.3百万年前与人参属祖先发生了物种分化；同义替换率 （KS） 和基因组共线性分析揭示了人参、三七、楤木与刺五加等五加科植物共享的全基因组复制 （WGD） 事件，在楤木中没有发现物种特异的 WGD 事件。比较人参、三七等基因组发现楤木中催化2,3环氧角鲨烯合成达玛烯二醇的达玛烯二醇合酶 （DDS） 基因的外显子区发生了大量的缺失，只保留了由5个外显子编码的氨基酸残基，推测 DDS 基因的缺失可能导致楤木不能合成达玛烷型四环三萜皂苷。通过转基因功能互补实验，将人参的 PgDDS 基因在楤木愈伤组织细胞中过量表达，恢复了转基因楤木细胞合成达玛烷型四环三萜皂苷的能力。以上结果首次揭示了龙牙楤木基因组中负责催化玛烷型皂苷的关键酶基因DDS（达玛烯二醇合酶）存在外显子缺失，导致龙牙楤木无法合成达玛烷型皂苷的机制（图1） 。
图1 龙牙楤木达玛烯二醇合酶基因缺失影响四环三萜皂苷合成
研究还发现，楤木属在与人参属植物分化后，其基因组中参与三萜皂苷生物合成的关键修饰酶基因P450、CSLM （编码纤维素合酶M亚家族） 、UGT等发生了大量的串联重复 （图2） 。利用大肠杆菌及酵母表达系统及体内、体外催化功能验证，鉴定了其中的4个串联重复区中8个关键酶基因的功能，系统解析了五环三萜型楤木皂苷的生物合成途径 （图3） 。最后，通过合成生物学手段，利用酿酒酵母做为底盘细胞，利用多种不同类型的酶组合表达从头合成了多达13种不同结构的楤木皂苷。
图2 三萜骨架修饰酶串联重复驱动五环三萜皂苷多样性形成
图 3 龙牙楤木皂苷的结构多样性及生物合成途径
综上，该研究公布了高质量的楤木基因组，鉴定了参与三萜皂苷结构差异的关键基因，建立了五环三萜皂苷的代谢通路，并从头合成了多种楤木皂苷。以上结果，揭示了五加科植物三萜皂苷类化合物结构多样性形成的进化机制，也为理解串联重复基因在植物次生代谢进化中的作用提供了重要的启示，还为五加科药用植物的比较基因组学、进化生物学等研究提供了高质量的基因组支撑 （图4） 。此外，对楤木关键药用成分的“绿色生物制造”也具有重要的指导意义。
图4 五加科植物系统进化与三萜皂苷类化合物多样性形成机制
东北林业大学生命科学学院李玉花教授、林学院沈海龙教授和张鹏教授、福建农林大学刘仲健教授为论文的共同通讯作者。东北林业大学生命科学学院王宇副教授和博士研究生张贺、朝鲜籍留学生Hyok Chol Ri（李赫哲）、博士研究生安泽宇为论文的共同第一作者。东北林业大学生命科学学院薛哲勇教授和徐志超教授、台湾成功大学蔡文杰教授参与了本项研究。本研究得到国家自然科学基金区域联合发展重点基金项目、林木遗传育种国家重点实验室创新项目的资助。
东北林业大学李玉花教授团队在五加科药用植物人参、西洋参、龙牙楤木等规模化生物反应器组培繁殖体系的建立，多种糖苷酶组合结合固定化酶膜技术高效生物转化稀有人参皂苷等产业化研究领域深耕10余年，获得多项技术发明专利。近几年团队进一步拓展研究领域，包括五加科植物天然活性成分三萜皂苷的生物合成途径解析、关键合成酶的挖掘及其生物合成等基础研究领域，获得了重要进展和突破。团队近五年在Nature Communications、Molecular Plant、Nucleic Acids Research、Plant Biotechnology Journal、Journal of Agricultural and Food Chemistry等高水平SCI期刊发表一系列论文。沈海龙教授和张鹏教授的在团队长期进行龙牙楤木、东北刺人参、刺五加等要用树木以及其他东北乡土树种资源培育与利用相关的生物学和技术研究，研究基础雄厚。两个团队优势互补，合作研究，研究前景广阔。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29908-y
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