2023年9月11日，云南大学生态与环境学院联合重庆医科大学、中国农业科学院、中国中医科学院、纽约城市大学等机构相关研究团队，在知名学术期刊Journal of Integrative Plant Biology在线发表了题为“Multiomics analysis reveals the evolutionary origin of diterpenoid alkaloid biosynthesis pathways in Aconitum”的天然二萜生物碱合成起源与演化的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.13565）。云南大学赵大克教授和中国农业科学院农业基因组研究所博士生张娅为共同第一作者，重庆医科大学附属儿童医院寸玉鹏研究员、云南大学余迪求研究员和陈穗云教授为通讯作者。本研究通过比较基因组分析，系统揭示了乌头属植物二萜生物碱演化产生的遗传基础，并结合转录组学与代谢组学的联合分析，为发掘二萜生物碱关键功能基因及开展二萜生物碱生物合成基因异源重构等研究领域提供了研究方向。

二萜生物碱（diterpenoid alkaloids,DAs）是一类二萜骨架嵌合氮原子而形成的一类骨架极复杂的杂环化合物，也是自然界极度特化的植物次生代谢产物的标志性成分。二萜生物碱不仅结构复杂，其种类也较为丰富，目前发现的二萜生物碱已超过1,000余种。同时，其具有显著的生物活性，目前四种单体已在临床上广泛应用。虽然早在1833年首个二萜生物碱（aconitine）就被发现，然而至今其合成的机制仍不清楚。

二萜生物碱分布于极少数高等植物中，本研究以富产二萜生物碱的乌头属植物黄草乌（Aconitum vilmorinianum）为研究对象，基于Nanopore 三代测序技术，从头组装了黄草乌染色体水平的基因组（5.7Gb)。基于课题组前期二萜生物碱合成候选基因家族分析，结合权重基因共表达网络分析、最小生成树算法（MST）及“基因－代谢物”相关性网络构建等手段，鉴定到参与二萜前体形成、二萜生物碱骨架形成以及二萜生物碱骨架后修饰的共表达权重网络中的关键节点基因（图1)。候选基因模块在二萜生物碱高积累的侧根以及地上的嫩叶种强烈表达，且相关靶标基因与主调控植物次生代谢的AP2/ERF转录因子表达高度相关。

贝壳杉烷氧化酶（kaurene oxidases,KOX）和氨基转移酶（aminotransferases,AT）催化二萜到二萜生物碱的转变，是调控原始C20-骨架二萜生物碱形成的关键。基因年龄评估揭示次序地产生的黄草乌KOX和ATF基因可能介导了二萜生物碱的诞生，并且KOX基因的分化时间和黄草乌与其不产二萜生物碱的近缘物种耧斗菜（Aquilegia coerulea）物种分化的时间也相吻合，进一步分析发现了黄草乌特有的全基因倍增复制事件（WGD)( 67.32 ± 5.52 Mya ）是二萜生物碱演化发生的前提。本论文在全基因组水平系统揭示了二萜生物碱演化产生的遗传基础，为关键功能基因发掘及开展生物合成异源重构等研究领域指明了研究方向。

图 1. 基于全基因组测序及多组学联合分析挖掘黄草乌二萜生物碱合成通路。

云南大学植物次生代谢产物合成途径解析课题组近年来在二萜生物碱研究中取得了一系列进展，在天然产物领域经典期刊Natural Product Reports、Journal of Natural Products、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Phytochemistry，以及Chinese Chemical Letters等发表了系列成果。构建了云南乌头属植物资源库，共获得二萜生物碱230余个，包含41个新化合物，筛选到低毒且具较高活性的先导化合物8-O-ethylaconosine及fuziline；利用UPLC-qTOF-MS结合化学计量学的手段构建了二萜生物碱化合物库，提出了二萜生物碱骨架全新分类系统，并深刻探讨了二萜生物碱生物合成与演化。

供稿：生态与环境学院

编辑：李哲 责任编辑：王崴