很多人都聽過“益母草”的名字。益母草（Leonurus japonicus Houtt.），是唇形科益母草屬的傳統(tǒng)藥材，顧名思義，它在傳統(tǒng)上常當(dāng)作婦科用藥，在亞洲和歐洲多地有著超過兩千年的藥用歷史。益母草堿是益母草的主要藥效成分，也是益母草屬特有的天然產(chǎn)物。值得一提的是，有特殊氣味的萜類化合物常常是唇形科藥用植物的主要活性物質(zhì)，而在益母草屬中，活性物質(zhì)卻以益母草堿為代表的生物堿為主。近年來的研究表明，益母草堿在治療腦中風(fēng)和降低血脂方面療效顯著，目前已有臨床實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。

　　然而，盡管市場對益母草堿的需求持續(xù)增加，其生物合成途徑在本研究之前卻依然是個(gè)謎。這樣一種化學(xué)成分是怎樣出現(xiàn)在益母草這一植物中的？

　　2023年11月10日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辰山植物科學(xué)研究中心徐萍研究組在Molecular Plant在線發(fā)表題為“Multi-Omics Analyses of Two Leonurus Species Illuminate Leonurine Biosynthesis and Its Evolution”的研究論文。該研究首次報(bào)道了兩個(gè)益母草屬植物的基因組，并運(yùn)用多組學(xué)技術(shù)深入研究了益母草屬特有活性物質(zhì)益母草堿的生物合成機(jī)制，揭示了這一天然產(chǎn)物在唇形目植物中的演化歷程。

　　活性物質(zhì)在植物體中的合成，必然有一個(gè)“植物工廠”。為了研究益母草堿的生物合成途徑，研究團(tuán)隊(duì)對兩種益母草屬植物進(jìn)行了基因組測序，分別是益母草（L. japonicus）和細(xì)葉益母草（L. sibiricus）。這兩種植物親緣關(guān)系密切、形態(tài)相似，但一個(gè)能產(chǎn)生大量益母草堿，另一個(gè)卻幾乎不含益母草堿（圖1）。這一對物種成為了益母草堿合成極好的研究對象。

　　通過對這一對物種的對比基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的關(guān)聯(lián)分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了益母草堿合成路徑，并確定了關(guān)鍵的候選基因，篩選和鑒定了合成途徑中的幾個(gè)關(guān)鍵酶，包括精氨酸脫羧酶（ADC）、UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UGT）以及絲氨酸羧肽酶樣（SCPL）酰基轉(zhuǎn)移酶。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，生物體內(nèi)常見的精氨酸，經(jīng)過幾個(gè)步驟，最終成為了可作為藥物的益母草堿：精氨酸首先經(jīng)過ADC的催化生成胍丁胺，而后經(jīng)過胺氧化、醛還原等步驟生成胍丁醇。同時(shí)，丁香酸經(jīng)UGT的活化形成丁香酰葡萄糖（SA-Glc）。胍丁醇和丁香酰葡萄糖在SCPL的催化下，共同合成益母草堿（圖2A）。本研究還定位了益母草堿在細(xì)胞中合成的關(guān)鍵位置：對這三個(gè)關(guān)鍵酶進(jìn)行的亞細(xì)胞定位分析顯示，益母草堿的前體物質(zhì)可能在細(xì)胞質(zhì)

　　中合成，而最后的合成步驟則發(fā)生在液泡中。

　　那么，生產(chǎn)益母草堿這樣一種全新的植物產(chǎn)品的“植物工廠”，它是怎樣的在益母草中突然出現(xiàn)的呢？本研究結(jié)果同時(shí)揭示了這一謎題：在益母草堿的生物合成途徑中存在一個(gè)由UGT和SCPL基因組成的基因簇，該基因簇在唇形目植物芝麻、丹參、黃芩和益母草中均存在。UGT和SCPL的基因擴(kuò)增以及SCPL的新功能化共同決定了益母草堿在益母草中的特異合成和積累（圖2B），換句話說，這些基因簇，在益母草中發(fā)揮了新的作用，就像一座老舊的“綠色工廠”通過轉(zhuǎn)產(chǎn)新的產(chǎn)品，發(fā)揮了新的功能。在這一發(fā)現(xiàn)為益母草堿的產(chǎn)生及其進(jìn)化軌跡提供了重要的見解。

　　該研究利用多組學(xué)和多系統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)，成功從頭構(gòu)建了益母草堿的生物合成途徑，揭示了益母草堿在植物體中的合成之謎。這一研究成果也為益母草堿的綠色、高效生物合成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有望在未來推動益母草和益母草堿的開發(fā)和利用，使得這一天然代謝產(chǎn)物能為人類健康更好地服務(wù)。

　　上海辰山植物園科研助理李鵬、顏夢曉、劉盼和已畢業(yè)研究生楊丹杰為本文共同第一作者，中國科學(xué)院分子植物卓越中心辰山植物科學(xué)研究中心研究組組長徐萍為通訊作者。該工作得到了趙清博士、陳曉亞院士和胡永紅園長的指導(dǎo)和大力支持。感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)向成斌教授和福建農(nóng)林大學(xué)熊延教授的幫助。研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市綠化和市容管理局辰山專項(xiàng)基金、上海市中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金以及國家重要野生植物種質(zhì)資源庫辰山中心的資助。

　　文章鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00358-1

圖1. 兩種益母草表型、基因組和益母草堿含量比較

圖2. 益母草堿生物合成途徑及基因簇共線性分析示意圖