https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.006

此前科学家在唇形目物种鉴定到克罗烷型二萜类化合物代谢途径的II型二萜合酶，如ArTPS2、SdKPS、VacTPS5、TwTPS14，但未发现相应的I型二萜合酶，限制了对克罗烷型二萜类化合物代谢途径的解析。克罗烷型二萜类化合物来源于共同的前体物质：牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP, Geranylgeranyl pyrophosphate），GGPP可以在细胞的叶绿体（MEP途径）和细胞质（MVA途径）中合成。二萜合酶（diTPS, diterpene synthase）通过催化GGPP产生二萜。二萜合酶包括II型二萜合酶（具DXDD基序）和I型二萜合酶（具DDXXD基序）。本课题组通过对半枝莲进行基因组（图2）及转录组测序，筛选到候选二萜合酶。

图2. 半枝莲基因组组装草图

通过烟草瞬时转化实验和酶活实验，我们分别找到了半枝莲、黄芩和一串红中参与克罗烷型二萜途径的II型二萜合酶和I型二萜合酶基因（图3）。

图3. 半枝莲、黄芩和一串红中克罗烷型二萜类化合物代谢途径二萜合酶的功能鉴定

该研究进一步发现，克罗烷II型二萜合酶起源于赤霉素途径的ent-柯巴基焦磷酸合酶（ent-CPS），克罗烷II型二萜合酶看似单起源，然而通过物种进化树分析，隶属于鼠尾草属、分化时间较早的Salvia officinalis (药用鼠尾草)的同源基因具有的是ent-CPS功能，而隶属于鼠尾草属、分化时间较晚的Salvia splendens（一串红）的同源基因具有克罗烷II型二萜合酶功能，这种功能并非由共同祖先遗传获得，更可能是在鼠尾草属独立演化的（图4）。

图4. 唇形目II型二萜合酶的进化及同线性分析揭示唇形科克罗烷II型二萜合酶的进化关系

对于克罗烷I型二萜合酶而言，黄芩属的克罗烷I型二萜合酶处于同一分支；而鼠尾草属的克罗烷I型二萜合酶分别来自不同的分支：有具有特异性功能的（SspdiTPS1.5），有从其它途径招募而来的如来自赤霉素途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.1和SspdiTPS1.2）和来自铁锈醇途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.3），它们均具有克罗烷I型二萜合酶的功能。基于以上结果，我们认为克罗烷I型二萜合酶在黄芩属和鼠尾草属中存在多起源途径。

图5. I型二萜合酶的进化树分析

Evangelos Tatsis课题组助理研究员 李海修、博士生 吴松和Cathie Martin课题组博士生 林若曦为该论文的共同第一作者， Evangelos Tatsis和 Cathie Martin为论文的共同通讯作者。该工作得到了希腊研究与技术中心-应用生物科学研究所A. M. Makris教授、爱荷华州立大学R. Peters教授、英国约翰英纳斯中心R. Hughes和M. Franceschetti博士、中科院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚院士、王勇研究员、李辰意博士的帮助；此外，该研究工作得到中心代谢平台胡文利、徐晓燕和王姗姗的帮助。研究项目获得了牛顿高级学者基金、英国生物技术和生物科学研究委员会、中国科学院先导项目、上海市科学技术委员会、中心引进人才项目、博士后国际交流项目基金的资助。

Evangelos Tatsis研究组信息：

Evangelos Tatsis 研究组隶属于中国科学院（CAS）与约翰英纳斯中心（JIC）合作建立的植物和微生物科学联合研究中心（CEPAMS），主要研究方向是探究植物如何产生天然产物，阐明、理解和设计药用植物中天然产物生物合成的代谢途径。为了实现这些重要目标，我们采用基于基因组资源的方法，利用生物信息学、分子生物学和酶学技术以及合成生物学进行研究。欢迎有全合成、天然产物化学、合成生物学、结构生物学和植物学背景的学生、科研助理和博士后申请从事植物天然产物的生物合成工作。

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