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2024年9月13日，美国斯坦福大学 Elizabeth Sattely 团队在国际顶尖学术期刊《细胞》Cell 发表一项最新研究成果，题为：A developmental gradient reveals biosynthetic pathways to eukaryotic toxins in monocot geophytes。揭示了石蒜生物碱的生物合成途径及其发育相关性机制。
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☆研究背景☆
植物中积累的大量真核毒素（Eukaryotic toxins），不仅在其自身抗逆过程中扮演重要角色，而且在人类医药健康领域也具有重要的开发价值，但它们的生物合成途径却长期悬而未决。一个典型的例子莫过于多达150多种活性多样的石蒜生物碱（Amaryllidaceae alkaloids, AmAs），包括 FDA 批准上市的阿尔茨海默病治疗药物加兰他敏（Galantamine）。根据其线型前体4'-O-methylnorbelladine (4OMN)氧化耦联的方式不同，AmAs分为三类骨架，即 para-para′ (p-p′, 如 haemanthamine), ortho-para′ (o-p′, 如 lycorine), 和 para-ortho′ (p-o′, 如 galantamine)。在这三类骨架基础上，经历氧化、甲基化、环重排等，进一步形成结构多样的石蒜生物碱家族成员（Fig. 1）。![]()
Fig. 1 The AmAs are a biogenically related set of structurally diverse bioactive alkaloids.
☆研究内容☆
本研究中，作者首先结合同位素标记、RT-qPCR定位AmAs生物合成的实际位置，发现石蒜生物碱的生物合成仅局限于水仙花Narcissus cv. Tête-à-Tête (Narcissus cyclamineus × Narcissus “Cyclataz”) 叶基部的新生生长组织，且空间代谢组（DESI-MS imaging）分析显示AmAs位于维管组织的近端（Fig. 2）。
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Fig. 2 Stable-isotope precursor feeding experiments identify leaf bases as the sites of active biosynthesis.
随着幼叶叶基被鉴定为AmAs生物合成的活性位点，作者接下来基于RNA-seq的生物合成活性组织表达谱，进行了候选基因的筛选。对叶基转录组数据分析发现，前期已鉴定的p-p′骨架合成酶CYP96T1包括在高表达CYP450基因集中，这为接下来的候选基因挖掘带来了信心。
结合比较转录组与基因共表达分析，利用关键前体4'-O-methylnorbelladine (4OMN)和烟草表达系统，作者鉴定了参与石蒜生物碱生物合成的多个未知基因功能，包括CYP450、SDR (short-chain alcohol dehydrogenase/reductase)、ODD (2-oxoglutarate-dependent dioxygenases)、AKR (aldo-keto reductase) 和MT (methyltransferase)等（Fig. 3），最终成功解析并在本氏烟中异源重构了haemanthamine、加兰他敏等重要石蒜生物碱的生物合成途径（Fig. 4）。
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Fig. 3 Three highly similar oxidative-coupling cytochrome P450 homologs are key to diversity generation in the AmAs.Fig. 4 Reconstitution of the core haemanthamine and galantamine biosynthetic pathways in N. benthamiana.防御毒素生物合成在季节性植物新生叶组织中的定位，可能对保护光合组织免受草食动物侵害至关重要。如前所述，作者发现AmAs是在水仙花新分裂的叶组织中产生的，受此启发，作者评估了其他非石蒜科球茎隐芽植物是否也表现出与防御毒素生物合成类似的发育相关性。有意思的是，作者在药用植物藜芦（Veratrum nigrum）中发现甾体生物碱（如环巴胺）的生物合成也发生在幼叶叶基分生组织中（Fig. 5）。![]()
Fig. 5 Feeding studies in Veratrum nigrum leaves reveal leaf bases as sites of active biosynthesis of steroidal alkaloid developmental toxins.☆总结与展望☆
总之，本研究中，作者揭示了水仙花（石蒜科）中多种石蒜生物碱生物合成的发育相关性和酶学逻辑。即虽然 AmAs 在水仙花的多种组织中积累水平很高，但其生物合成仅局限于叶基部的新生生长组织。进一步发现，藜芦中甾体生物碱（如环巴胺，cyclopamine）的生物合成也有类似的趋势。这种定期进行的生物合成模式有助于阐明负责 AmAs 合成的整套基因。更广泛地说，作者揭示了单子叶隐芽植物（Geophytes）生物合成调控的范式，即植物用真核毒素对新生细胞进行活跃的“充电/武装”，进而保护植物免受食草动物的侵害，这些毒素随着地上组织的发育而持续存在。本研究为石蒜生物碱的异源获取提供了可能，同时也为认识植物复杂的代谢-发育机制揭开了冰山一角。
原文信息：Niraj Mehta, Yifan Meng, Richard Zare, Rina Kamenetsky-Goldstein, Elizabeth Sattely, A developmental gradient reveals biosynthetic pathways to eukaryotic toxins in monocot geophytes, Cell, 2024, doi: 10.1016/j.cell.2024.08.027.本文版权归属于公众号“杏林尝百草”，欢迎公众号转载和个人转发分享
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