黄芩属（Scutellaria L.）是唇形科第二大属，全球约有500余个物种，作为重要的药用植物类群其在世界各地均具有悠久的药用历史。其中黄芩（S. baicalensis）和半枝莲（S. barbata）作为《中国药典（2020）》收载的常用中药材，其应用最为广泛。然而，作为同属药用植物二者有着截然不同的用药部位，且主要的黄酮类成分也表现出了明显的骨架差异，使得二者黄酮类成分结构差异化积累的关键驱动力尚不明确，这也直接关乎黄芩属植物黄酮类代谢物结构多样性的形成机制。
图1. 黄芩和半枝莲中主要黄酮类代谢物的结构差异
2024年9月14日，上海中医药大学陈万生团队，联合上海辰山植物园赵清研究员以及东北林业大学徐志超教授在Plant communications在线发表了题为“Functional evolution and diversification of the CYP82D subfamily members shape flavonoid diversification in the genus Scutellaria” 的研究论文。该研究运用多组学分析策略对22种黄芩属植物中黄酮类成分的化学多样性形成机制进行探究，通过对于该属内黄酮类代谢物结构的快速识别及鉴定，挖掘并解析了CYP82D亚家族成员所进化出的多种新颖的催化功能，展现了细胞色素P450家族成员在植物类群进化中所呈现出的功能多样性。该研究以经典药用植物为切入点，结合同属近缘物种开展大尺度植物谱系分析为探究药用植物品质形成机制与实现药用资源的可持续开发提供新的思路和策略。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101134
该研究选取了黄芩属的22个代表性物种展开研究，分子系统学将其分为以黄芩为代表的Clade-α分支和以半枝莲为代表的Clade-β分支。两个分支中物种的代谢轮廓呈现出显著性差异，其属内黄酮类合成途径呈现出以黄酮和黄烷酮为骨架，以C-6/8位羟基化修饰为关键代谢流分化节点，继而通过下游甲基化、硫酸化、糖基化进行进一步结构修饰塑造而成的次生代谢物网络。
图2. 22个黄芩属代表性物种的亲缘关系及黄芩属黄酮类化合物的生物合成途径
为阐明黄酮类差异性的属内分化机制，系统发育分析表明22个物种中的CYP82D亚家族成员呈现为5个进化分支。进一步通过酵母微粒体蛋白体系对不同分支的代表酶基因开展体外酶功能表征，并通过烟草转化体系对具有独特催化功能的基因进行了体内功能验证。结果显示不同分支成员进化出以黄酮类化合物为底物的Ⅰ-Ⅳ型催化功能，并首次发现了具有7-O-去甲基化功能的细胞色素P450家族成员（以黄酮类为底物）。
图3. 黄芩属CYP82D亚家族基因的系统发育关系及各个分支的功能
使用分子对接技术对影响催化反应的关键氨基酸位点进行预测，通过定点突变实验阐明了C-4’位羟基在CYP82Ds底物选择性机制中发挥的重要作用。基于Ⅰ-Ⅳ型催化功能开展了祖先序列重构与功能表征，证明CYP82Ds催化活性的差异来源于以祖先基因进化为基础的新功能化与去功能化。结合生物合成途径关键基因CHS、CHI、FNSⅡ的进化关系阐明了黄芩属植物中黄酮类成分的化学多样性形成机制，并证明了黄芩属是兼具谱系特异性和组织特异性的黄酮类生物合成途径研究的理想模型。
图4. 黄芩属CYP82D亚家族的祖先基因预测与功能表征
上海中医药大学中药研究所陈万生教授、海军军医大学第二附属医院胡佳栋博士、东北林业大学生命科学学院徐志超教授、上海辰山植物园赵清研究员为论文的共同通讯作者。上海中医药大学中药研究所邱实副研究员、上海中医药大学中药研究所博士研究生王晶及上海辰山植物园裴天林助理研究员为论文共同第一作者。中国科学院昆明植物研究所向春雷研究员参与了本项研究。本研究得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科协青年托举工程项目、上海中医药大学有组织科研项目、名贵中药资源可持续利用能力建设项目以及上海市资源植物功能基因组学重点实验室开放课题等项目的资助。
