为了应对与侵略者的竞争,植物进化出了产生次生代谢物的能力。一些次生代谢物在人类身上表现出特定的治疗活性,我们的祖先巧妙地利用这些代谢物治疗人类疾病。香豆素是植物代谢产物的主要种类之一。香豆素除了作为抗植物病原体和应对生物和非生物压力的保护剂外,还具有多种医学生物活性,如抗菌、抗肿瘤、抗氧化、抗凝血和抗炎等特性。
这些多样性的生物活性可能源于香豆素的结构多样性,可分为五种类型:简单香豆素(SCs)、线性呋喃香豆素(FCs)、角型FCs、线性吡喃香豆素(PCs)和角型PCs;后四种可统称为CCs。相比之下,CCs是具有潜在医疗价值的主要成分,是SCs进一步生物合成的产物。生物合成过程包括三个不同的步骤,通过三种类型的酶-C2'H,C-PT和环化酶。详细的CC生物合成过程由C2'H催化对香豆酰CoA形成伞形花酮。在这一步中,C2'H与催化东莨菪碱生物合成的酶(F6'H)竞争底物,后者不会继续加工成CCs。最后,环化酶催化吡喃环或呋喃环的环化,形成最近被表征的PCs或FCs,填补了CCs生物合成途径中最后缺失的空白。
综述伞形科植物CCs生物合成关键酶的来源和损失(图源自Nature Communications )
在自然界中,尽管SCs普遍存在于被子植物中,但据报道,CCs主要积聚在433个被子植物科中的4个科中,即Apiaceae, Moraceae, rutacae和Fabaceae,这些科在系统发育上彼此相距较远。CCs在被子植物系统发育中的分散分布表明,在这四个科中,CCs的生物合成有多个独立的起源。巧合的是,分子证据也支持CCs生物合成在不同被子植物谱系中的独立进化。
尽管Apiaceae是众所周知的具有CCs代谢物的被子植物家族,但事实是并非所有的Apiaceae植物都能产生CCs。一些著名的中草药其根中含有大量的碳离子。相比之下,其他植物,例如大多数蔬菜和香料不会积累CCs。此外,一些其他著名的药用植物,也不积累CCs。这些观察结果表明,在Apiaceae中,CCs生物合成可能经历了一个可变的进化模式。目前,由于测序技术的快速发展,伞形科已经积累了丰富的基因组和转录组数据来源。研究还新测序了一种富含所有香豆素类型和特别高的角状CCs含量的伞形科植物P. praeruptorum。这些数据为阐明CCs生物合成起源及其多样化产物的分子机制提供了有价值的基础信息。利用进化基因组学的研究策略,研究努力重建一个详细的伞形科CCs生物合成途径的建立和进化过程。
南京农业大学博士生黄新程、中国药科大学硕士唐欢迎、南京农业大学博士生韦雪芬为论文共同第一作者。中国药科大学赵玉成教授、南京农业大学薛佳宇副教授、中国热带农业科学院乔飞研究员为论文共同通讯作者。湖南农业大学何岳东博士、陕西中医药大学徐顶巧副教授、南京农业大学博士生户帅雅和吴嘉宜也参与了相关工作。该工作主要得到了中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设项目”(第一标注)、中央高校基本业务费、秦药特色资源研究开发重点实验室开放课题、安徽省大别山中医药研究院开放课题、云南特色提取实验室开放课题等项目的资助。
参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51285-x