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昆明植物所在植物二倍半萜生物合成研究中取得重要进展

来源: 植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室日期: 2016-04-14

萜类化合物是植物中种类最多、化学结构变化最为丰富的一类天然产物,在植物生长发育、适应环境胁迫特别是抵御病虫害方面发挥着重要作用,同时还具有重要的经济和药用价值(如抗疟疾药物青蒿素、抗肿瘤药物紫杉醇、保健品胡萝卜素、甜味剂甜菊苷和罗汉果苷、昆虫拒食剂印楝素、植物激素赤霉素、脱落酸和独脚金内酯等)。植物中的萜类化合物主要包括单萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)、四萜(C40)等,分别通过甲羟戊酸(MVA)途径和2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸酯(MEP)途径生成。二倍半萜(C25)为萜类化合物中的一个重要亚类,由5个异戊二烯单元组成,结构新奇复杂,生物活性多样,是植物次生代谢产物中的一个新类群,广泛分布于地衣、藻类、蕨类、单子叶和双子叶植物中,包括重要粮食作物小麦和马铃薯,但其生物合成途径及起源尚属未知。


中国科学院昆明植物研究所黎胜红课题组多年来致力于植物二倍半萜的化学多样性、生物功能及生物合成等研究。该课题组前期研究从两种喜马拉雅特有的唇形科植物米团花(Leucosceptrum canum)和火把花(Colquhounia coccinea var. mollis)的腺毛中发现了两类新奇骨架(分别命名为米团花烷和火把花烷)的二倍半萜,具有重要的防御植食性昆虫和植物病原真菌的功能(Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49: 44714475; Org. Lett., 2013, 15: 16941697),进一步深入研究从该两种植物中发现了100余个结构高度变化的拒食活性二倍半萜(Org. Lett., 2011, 13: 18641867; Org. Lett., 2012, 14: 57685771; Org. Lett., 2014, 16: 64166419; Phytochemistry, 2013, 86: 2935; Tetrahedron Lett., 2013, 54: 235237)。最近,黎胜红课题组与中科院遗传与发育生物学研究所王国栋组、德国马普化学生态研究所Jonathan Gershenzon组以及昆明植物所孙桂玲博士等合作,综合运用植物化学、转录组学、分子生物学、生物化学、细胞生物学、生物信息学等技术对植物二倍半萜的生物合成途径进行了系统研究。从大型木本和有色花蜜植物米团花的腺毛中成功克隆并功能鉴定了一个二倍半萜生物合成途径的关键酶3/4香叶基法尼基焦磷酸酯合成酶(GFDPS),能够特异性地催化二倍半萜C25直链前体GFDP的生成,并发现植物二倍半萜的生源途径是定位于质体中的MEP途径。此外发现茉莉酸甲酯能够诱导米团花中GFDPS的表达和二倍半萜的积累,同时提高植物的抗虫防御功能。进化分析发现植物GFDPS可能起源于正选择(环境胁迫)下GGDPS(二萜C20直链前体GGDP的合成酶)的复制和新功能化。该研究首次揭示了植物二倍半萜的生物合成途径及起源,填补了国际上对植物萜类生物合成途径认识的缺失,为进一步深入研究二倍半萜在植物体内的生物合成与调控、生物功能及其应用奠定了基础。


目前,该研究成果在线发表在国际植物学顶级刊物 The Plant Cell



喜马拉雅特有唇形科大型木本和有色花蜜植物米团花(Leucosceptrum canum



植物萜类次生代谢产物的生物合成途径(红色显示为二倍半萜的合成途径)


论文链接:http://www.plantcell.org/content/early/2016/03/03/tpc.15.00715


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