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萜類化合物是天然產(chǎn)物中最大的類群，結(jié)構(gòu)多樣，活性廣泛，具有重要的藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。植物合成萜類化合物的真正目的通常被認(rèn)為是調(diào)節(jié)其自身生長發(fā)育（如植物激素赤霉素、脫落酸和獨(dú)腳金內(nèi)酯）以及抵御各種生物脅迫（如昆蟲拒食劑印楝素和除蟲菊酯）。倍半萜為萜類化合物中的一個(gè)重要家族，具有豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物功能雙重多樣性，其中杜松烯類倍半萜由于其獨(dú)特的活性與功能成為該家族中最為耀眼的成員之一，如抗瘧疾藥物青蒿素和植保素棉酚等。 

圖1 杜松烯類倍半萜生物合成途徑（左圖）以及EaTPS1基因表達(dá)模式和化合物積累（右圖） 

　　紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum Spreng）在我國是一種嚴(yán)重的外來入侵植物，具有強(qiáng)大的化學(xué)防御系統(tǒng)，但其防御物質(zhì)及生物合成機(jī)制尚屬未知。近期，中國科學(xué)院昆明植物研究所活性天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)與生物合成團(tuán)隊(duì)黎勝紅研究組綜合運(yùn)用植物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、合成生物學(xué)等技術(shù)，揭示了紫莖澤蘭中杜松烯類倍半萜的體內(nèi)外抗蟲防御功能，解析了其生物合成途徑的關(guān)鍵步驟，并構(gòu)建了杜松烯類天然產(chǎn)物的異源合成通路。經(jīng)各種誘導(dǎo)處理以及代謝分析發(fā)現(xiàn)，6個(gè)杜松烯類倍半萜是紫莖澤蘭的主要組成型和誘導(dǎo)型防御物質(zhì)，這些化合物均表現(xiàn)出顯著的昆蟲拒食活性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)杜松烯類倍半萜的生物合成開展了研究，從紫莖澤蘭中克隆并功能鑒定了3個(gè)倍半萜合酶基因，包括一個(gè)新穎的倍半萜合酶EaTPS1，能夠催化其中2個(gè)關(guān)鍵中間體amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol的合成。在大腸桿菌中構(gòu)建了這兩個(gè)化合物的從頭合成通路，從10 L搖瓶培養(yǎng)液中分離純化了550 mg的amorpha-4,7(11)-diene和35 mg的(–)-amorph-4-en-7-ol單體化合物，并通過1D和2D NMR等波譜技術(shù)確證了其結(jié)構(gòu)。通過基因表達(dá)模式和化合物積累的相關(guān)性分析，證實(shí)了EaTPS1在紫莖澤蘭中參與杜松烯類倍半萜的生物合成，并發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷和MeJA處理降低EaTPS1基因的表達(dá)但能促進(jìn)化合物的釋放。在煙草中瞬時(shí)表達(dá)EaTPS1基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草也能合成amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol，同時(shí)抗蟲防御功能也得到提高，進(jìn)一步證實(shí)了EaTPS1在植物體內(nèi)的功能。該研究首次揭示了紫莖澤蘭的化學(xué)防御物質(zhì)及其形成機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了杜松烯類倍半萜的異源合成，為該類天然產(chǎn)物的生物活性和合成生物學(xué)深入研究奠定了重要基礎(chǔ)。 

圖2 工程大腸桿菌（左圖）和本氏煙草（右圖）異源合成amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol 

　　該研究結(jié)果以“Characterization of defensive cadinenes and a novel sesquiterpene synthase responsible for their biosynthesis from the invasive Eupatorium adenophorum”為題發(fā)表在New Phytologist上。劉燕副研究員和駱世洪教授（現(xiàn)工作單位：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)）為該論文的并列第一作者，黎勝紅研究員為通訊作者。該研究得到國家杰出青年基金項(xiàng)目、云南生物醫(yī)藥重大專項(xiàng)、云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和中科院“西部之光”專項(xiàng)基金等資助。 

　　文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16925