近日，南方科技大学生命科学学院生物系副教授黄安诚课题组在Nature Chemical Biology上发表题为Glyceollin biosynthesis in a plant chassis engineered for isoflavone production的研究论文。通过重塑本氏烟草代谢流创制高产异黄酮植物合成生物学底盘，关键异黄酮染料木素（genistein）和大豆苷元（daidzein）在干叶片中产量分别达到11.8 g/kg 和7.0 g/kg，进一步结合多组学技术解析了作物大豆中6种抗菌植保素，即大豆素（glyceollins,包括新颖大豆素glyceollins VII）的完整生物合成途径，并且实现了大豆素及多类重要活性异黄酮在本氏烟草中高效从头全生物合成，其中大豆素I和大豆素II在干叶片产量分别达2.6g/kg和5.9g/kg。该研究发展了植物合成生物底盘并推动了活性异黄酮在植物底盘的生物智造。
图1创制高产异黄酮植物底盘生物合成不同类型大豆素
植保素是植物进化出的响应和应对病虫害等胁迫的化学防御武器，多在病虫害侵害时诱导合成。豆科植物能够特异合成异黄酮类化合物作为植保素，其中大豆素是大豆中特有的一类异黄酮植保素。大豆素结构复杂且抗菌活性强，不仅能帮助大豆抗病，还具有抗癌和抗菌等药物开发潜力。然而，大豆素在大豆中含量极低，化学合成和植物提取分离难以实现量产，通过合成生物学或能实现绿色生物智造，但其生物合成途径复杂且催化最后一步酶促反应，即大豆素D环到E环的闭环反应的关键酶——大豆素合酶（Glyceollin Synthases, GSs），尚未被发现（如图所示），限制了大豆素的生物合成、功能探究及规模化生产与应用。
图2大豆素生物合成途径研究现状
在该研究中，研究人员在本氏烟草中重构了大豆素上游前体——大豆苷元（daidzein）的生物合成通路，并进一步采用多策略组合调控代谢流的方法，包括1）引入来自不同植物的高效酶；2）关键基因共表达；3）引入转录因子调控本氏烟草代谢流，定向改造苯丙烷和异黄酮生物合成途径中的限速步骤，成功增强了代谢通量，最终将异黄酮产量在只过表达通路基因的基础上提升3-5倍，为后续的大豆素合成通路解析提供了充足的代谢前体。
基于该异黄酮高产本氏烟草系统，研究人员利用共表达分析从大豆转录组数据中筛选出候选基因，并进行功能验证，最终成功鉴定出6种细胞色素P450单加氧酶能够催化大豆素E环的形成，合成多种大豆素。其中GmGS1a/1b（GmCYP71D8a/b）催化合成大豆素I（glyceollin I）；GmGS2a/2b（GmCYP82A4a/b）催化合成大豆素II（glyceollin II）；GmGS3（GmCYP82A2b）催化合成大豆素III（glyceollin III）；而GmGS3e/7（GmCYP82A2a）催化合成新颖结构大豆素VII （glyceollin VII），13-表-大豆素III（13-epi-glyceollin III）和glyceofuran。进一步构建大豆毛状根体系，利用CRISPR/Cas9技术获得敲除不同大豆素合酶GmGS的大豆毛状根突变体，发现突变体在病原疫霉菌侵扰后无法合成相应的大豆素或合成量显著降低，首次明确了这些大豆素合酶在植物中的功能。
该高产异黄酮本氏烟草底盘可用于不同类型活性异黄酮的绿色从头合成，包括大豆素（glyceollin I、II、III、VII、13-epi-glyceollin III，叶片干重含量最高可达5.9g/kg）和美迪紫檀素（叶片干重含量0.7 g/kg）等。研究人员进一步测试了这些活性异黄酮的抑菌活性，发现13-表-大豆素III 和美迪紫檀素对致病大豆疫霉菌（Phytophthora sojae）和烟草疫霉菌（Phytophthora. nicotianae）具有强抑菌活性，而大豆素III的抑菌活性则较弱，揭示抗菌活性与化合物的构效关系（特别是C13位立体构型对抑菌活性有重要影响），为新型植物源生物农药的开发提供了候选化合物实体及绿色生物合成技术。
图3大豆素合酶鉴定与大豆素等异黄酮抗菌活性测试
综上，该研究首次解析了多种大豆素在大宗作物大豆中的完整生物合成途径并实现植物底盘异源全合成，深化了对大豆防御机制的认知，也为高抗病和功能性大豆品系的培育提供了基因元件和分子靶标，助力可持续农业发展。大豆素及其他异黄酮植保素的高效合成底盘和技术也将拓展活性植物异黄酮的来源及其在医药和健康领域的应用，具有广阔的应用前景。
黄安诚课题组已毕业硕士生谢嘉丽和在读硕士研究生田嘉瑜为论文共同第一作者，黄安诚为论文通讯作者，南科大为唯一通讯单位。黄安诚课题组已出站博士后Salman Khan、郝宇琼和陈飞龙，博士研究生于经纬、研究助理教授周倩参与了该项研究。南京农业大学张峰教授和澳门科技大学朱国元副教授参与了该研究并提供了实验材料和技术支持。本研究得到了深圳市高等院校稳定支持项目和深圳市基因工程与分子设计重点实验室等项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41589-025-01914-3
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