中药黄芪，源自蒙古黄芪或膜荚黄芪的干燥根部，最早记载于《神农本草经》并被评为上等药材。黄芪三萜作为黄芪的核心活性成分，拥有广泛的药理效果，如增强免疫力、保护器官、抗癌以及辅助糖尿病治疗等。不过，由于黄芪三萜化合物结构复杂且自然来源稀缺，传统提取或化学合成技术的成本相对较高，阻碍了以黄芪三萜为基础的药物研发进程。为此，采用合成生物学或基因编辑技术来实现黄芪三萜的异源生产或提高植物内部的合成效率，被视为解决原料短缺问题的有效策略。尽管如此，黄芪三萜的合成路径至今尚未完全明了。
中国科学院昆明植物研究所植物化学与天然药物重点实验室天然药物化学前沿交叉团队负责人黄胜雄研究员团队通过对膜荚黄芪的不同部位进行转录组深度分析，识别出可能参与黄芪三萜生物合成过程的关键酶——氧化酶AmCYP88D25和糖基转移酶AmGT11。研究者们还完成了膜荚黄芪的基因组测序，并从中筛选出了一个包含上述两种酶编码基因及其他三种氧化酶（AmCYP88D7、AmCYP71D756、AmOGD1）和一种糖基转移酶（AmGT36）的基因簇，该基因簇被认为对黄芪三萜的生物合成至关重要。通过一系列实验，包括体外酶活性测试、烟草瞬时表达系统、酵母细胞内功能验证和毛状根RNA干扰突变体分析，研究人员证实了这六个基因在黄芪三萜合成过程中的核心地位。基于此，研究团队进一步尝试在本氏烟草中同时表达这些基因（加上AtCPR1、AmOSC3和NbtHMGR），成功实现了黄芪三萜在烟草叶片内的异源生产，产量达到每克干重2.224毫克。
此次发现的黄芪三萜生物合成基因簇是迄今为止已知最大的天然产物生物合成基因簇（约4Mb），并且与先前记录的三萜类基因簇相比，它缺乏骨架合成酶，这一特性为其他萜类天然药物的生物合成研究提供了新的视角。此外，研究指出，AmOGD1在黄芪三萜合成中的作用表明，植物可能不仅依靠细胞色素P450氧化酶，还能利用α-酮戊二酸依赖性双加氧酶家族成员来修饰三萜骨架。这项研究不仅加深了我们对黄芪三萜生物合成机制的理解，也为中药新品种的培育和新型黄芪三萜抗心力衰竭药物的开发提供了重要的科学依据。
以上成果以Total biosynthesis of the medicinal triterpenoid saponin astragalosides为题，发表在Nature Plants。黄胜雄专题组的徐冰艳博士研究生、黄建萍研究员、彭国情和曹文颖硕士研究生为本论文的共同第一作者，黄胜雄研究员为通讯作者，成都中医药大学和鲁南制药集团合作者为本研究提供了大力支持。上述工作得到了国家自然科学基金、国家合成生物学重点研发计划和云南省“兴滇英才支持计划”等项目资助。
