植物具有丰富的代谢产物，在植物生长发育和适应环境中发挥巨大的作用。同时多种植物代谢产物被发现具有独特的生物活性，对于人类疾病有上佳疗效。 植物重要代谢产物生物合成途径的解析，既是理解产物合成机制的基础，也是进行工业化生产的理论依据。然而，解析未知的生物合成途径目前依然具有相当的难度。其中的技术瓶颈则是如何从植物基因组上万个基因中精确筛选到目标基因—即编码该途径上某步反应的酶基因，其难度无异于大海捞针。

近日，南京农业大学园艺学院/前沿交叉研究院薛佳宇/Yves Van de Peer课题组与合作者在The Plant Journal上发表了题为Deciphering the biosynthetic pathway of triterpene saponinsin Prunella vulgaris的研究论文，开发了一套整合多层次筛选基因的流程，能利用多组学数据进行高效筛选、快速获得目标基因，从而解析完整的生物合成途径。该方法以探索唇形科植物夏枯草（Prunella vulgaris L.）的熊果酸和齐墩果酸型三萜皂苷的生物合成途径为例，展示了快速筛选编码三个关键酶—鲨烯氧化环化酶（OSC）、细胞色素P450（CYP450）和糖基转移酶（UGT）的编码基因，而后通过酶活功能实验验证了酶活性质，与筛选结果高度吻合，证实了该方法的高效性和精确性。

夏枯草是唇形科的多年生草本植物，广泛分布于中国秦岭以南及其他温带和亚热带地区，其干燥果穗在初夏采收后常用于传统中药（图1A）。中医经典著作《本草纲目》记载其具有“清肝明目，散结解毒”的功效。现代研究表明，其主要活性成分为熊果酸和齐墩果酸型三萜皂苷，具备抗炎、降血压、改善血液循环等药理作用，使夏枯草成为潜在的抗肿瘤药物。此外，夏枯草也常应用于食品工业，尤其在中国南方，常作为凉茶的主要原料，年需求量超5000吨。

该研究依据开发的筛选流程（图2），首先组装了夏枯草染色体水平的基因组，之后整合系统发育分析、基因表达评估、代谢组-转录组关联分析以及共表达网络等多层次筛选方法，从包含数百个成员的大型基因家族（CYP450和UGT）中，成功地鉴定出12个候选基因（3个OSC、5个CYP716和4个UGT73，图2）。随后在烟草中异源表达候选基因，成功表征验证了候选基因的酶活功能，证明了筛选方法的精准。同时，这些基因也成功填补了夏枯草三萜皂苷生物合成步骤关键酶的空白。

图2：夏枯草熊果酸和齐墩果酸皂苷生物合成途径上酶编码基因的筛选流程及结果

综上所述，该研究以多组学数据为基础，结合进化规律与生物信息学手段，开发针对植物代谢通路未知基因筛选流程，是学科交叉研究的典型案例。该方法不仅仅适用于植物代谢，也有望广泛应用于更多的性状的通路解析。

南京农业大学博士生刘思杰和江苏省中科院植物研究所硕士生刘正泰为论文共同第一作者，南京农业大学薛佳宇副教授、Yves Van de Peer教授、江苏省中科院植物研究所徐晟副研究员和中国药科大学石磊副教授为共同通讯作者，南京农业大学的硕士生邵冰雁和本科生李涛、江苏省中科院植物研究所硕士生朱新宁和汪仁研究员也参与了本研究工作。本研究得到了高水平中医药重点学科建设项目—中药资源学、中央高校基本科研业务费、欧洲研究委员会高级资助欧盟"地平线2020"计划、比利时根特大学Methusalem基金、江苏省植物资源与利用重点实验室开放基金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.17220