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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)濟價值。植物合成萜類化合物的真正目的通常被認為是調(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基因表達模式和化合物積累（右圖） 

　　紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum Spreng）在我國是一種嚴重的外來入侵植物，具有強大的化學(xué)防御系統(tǒng)，但其防御物質(zhì)及生物合成機制尚屬未知。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)與生物合成團隊黎勝紅研究組綜合運用植物化學(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個倍半萜合酶基因，包括一個新穎的倍半萜合酶EaTPS1，能夠催化其中2個關(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)。通過基因表達模式和化合物積累的相關(guān)性分析，證實了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)機械損傷和MeJA處理降低EaTPS1基因的表達但能促進化合物的釋放。在煙草中瞬時表達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，同時抗蟲防御功能也得到提高，進一步證實了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)及其形成機制，并實現(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目、云南生物醫(yī)藥重大專項、云南省創(chuàng)新團隊、中科院青年創(chuàng)新促進會和中科院“西部之光”專項基金等資助。 

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