黄草乌生物碱生物合成的分子机制取研究得重要进展

近日，昆明理工大学以李一果为第一作者、李昆志为通信作者在 3Biotech 发表题为 “De novo RNA sequencing and analysis reveal the putative genes involved in diterpenoid biosynthesis in Aconitum vilmorinianum roots” 的文章，揭示黄草乌生物碱合成的分子机制。

黄草乌（Aconitum vilmorinianum）是乌头属植物中一种重要的药用植物，目前，黄草乌的研究主要集中在化学成分和药理作用，黄草乌化学成分研究发现黄草乌中二萜类生物碱有 40 多种，其中滇乌头碱、黄草乌碱甲、草乌甲素等二萜类生物碱，具有祛风除湿、温经止痛、解毒消肿、散寒活血、抗抑肿瘤等功效。黄草乌是云南白药、草乌甲素片等多种著名中成药的主要原料。黄草乌的二萜生物碱即是主要的药效成分，也是主要的毒性物质，黄草乌的根是这些代谢物的聚集部位，也是药用部位，但其生物碱的生物合成机制尚不清楚。

作者通过黄草乌根形成初期、中期和末期进行转录组测序和从头组装，产生了 59.39gb clean bases，组装成 119660 个 Uingene，注释了 69978 个 Uingene（58.48%）。获得了参与二萜生物碱合成的 27 种基因（139 个候选基因），包括萜类骨架合成的 MVA（mevalerate）、MEP（methyl erythritol phosphate）途径、FDP（farnesyl diphosphate）调节途径和二萜支架合成途径的编码基因。鉴定了参与修饰二萜生物碱 12 个 CYP450s 基因。发现了调控 MVA 代谢途径中关键酶基因 HMGR (hydroxymethylglutaryl-CoA reductase) 的 miR6300。分析了与二萜合成的 bHLH、AP2/EREBP 和 MYB 等转录因子。

这项研究工作通过对黄草乌根转录组和代谢分析，发现了黄草乌二萜生物碱合成的基因和相关的因子。鉴定出 119660 个 unigenes，注释了 69978 个 Uingene，阐明了黄草乌二萜类生物碱生物合成的代谢途径，获得了参与黄草乌二萜类生物碱生物合成的 27 种酶基因（139 个候选基因），鉴定了与二萜生物调控的转录因子、MicoRNA 和 CYP450 基因。这些结果不仅为今后黄草乌二萜类乌头碱生物合成候选基因的功能鉴定奠定了基础，而且对乌头属及其他植物二萜生物碱合成的分子机制和代谢途径研究提供科学的依据。

论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s13205-021-02646-6

图 1 | Uni 基因注释情况。A：NR 注释的 uni 基因；B:GO 分类的 uni 基因；C:COG 功能分类的 uni 基因；D:NR、COG、KEGG、Swissprot 和 InterProt 数据库的 uni 基因；E:KEGG 分类的 uni 基因；F: 转录因子；G: 简单重复系列。

图 2 | 二萜类生物碱的生物合成途径及基因的差异表达。R1 为根形成初期，R2 为根形成中期，R3 为根形成末期。a 显示了每个步骤中编码酶基因的表达水平。红色和蓝色分别代表高表达水平和低表达水平。b 根形成的早期（R1）、中期（R2）和末期（R3）。c 根形成早期（R1）、中期（R2）和末期（R3）的乌头碱含量。

图 3 | 黄草乌二萜合成调控网络的假设模型。在细胞质中，乙酰辅酶 A 通过 MVA 途径形成 IPP。在 MVA 通路中，HMGS 基因受 mir6300 的调控。在质体中，乙交酯 3 - 磷酸和丙酮酸通过 MEP 途径形成 IPP。IPP 分子被缩合成焦磷酸法尼酯，焦磷酸法尼酯通过 FDP 调控途径完成萜烯骨架的合成。GGPPS 通过 CDPS、KS 和 KO 基因的相互作用进入二萜代谢途径，通过转录因子和 CYP450 的相互作用形成乌头碱及其衍生物。最后合成了乌头碱等二萜生物碱。

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