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为解决鼠尾草属植物中呋喃克罗烷生物合成机制不明的问题，中国科学院分子植物科学卓越创新中心等单位的研究人员开展相关研究，发现 3 种细胞色素 P450 酶参与合成过程。该成果有助于理解植物代谢，为生产 Salvinorin A 提供新思路，值得一读。
在植物的奇妙世界里，鼠尾草属（Salvia）植物可是一群 “宝藏选手”。它们不仅种类繁多，而且用途广泛，很多都具有药用价值，在烹饪和化妆品领域也能看到它们的身影。鼠尾草属植物能产生各种对人类有益的生物活性化合物，其中一些二萜类化合物更是商业价值满满，比如抗氧化食品添加剂鼠尾草酸和鼠尾草酚，还有具有心血管保护特性的丹参酮。
而在鼠尾草属植物中，来自新热带地区的鼠尾草含有一类特殊的二萜化合物 —— 呋喃克罗烷（furanoclerodane）。这类化合物有着独特的结构，比如在碳原子 C13 - C16 之间有一个呋喃环，在 C18 位置还有一个羧基部分。其中，最广为人知的呋喃克罗烷就是来自墨西哥鼠尾草（Salvia divinorum）的 Salvinorin A，它不仅具有致幻作用，还在治疗阿片类药物成瘾方面展现出了潜力，是医药领域的 “潜力股”。
然而，科学家们在研究呋喃克罗烷的过程中却遇到了不少难题。尽管这些化合物有着重要的价值，但它们在植物体内是如何合成的，这个问题一直困扰着科研人员。目前对其生物合成的了解非常有限，甚至在一些地方还存在矛盾之处。就好比在黑暗中摸索，大家都知道前方有宝藏，却找不到通往宝藏的路。
为了揭开呋喃克罗烷生物合成的神秘面纱，中国科学院分子植物科学卓越创新中心等单位的研究人员展开了一场科研探索之旅。他们的研究成果发表在了《Plant Communications》期刊上，论文题目是 “Three cytochrome P450 enzymes consecutively catalyze the biosynthesis of furanoclerodane precursors in Salvia species” 。通过一系列研究，他们发现了参与呋喃克罗烷生物合成的关键酶，还揭示了相关基因的进化关系，这为深入了解植物特殊代谢产物的合成机制提供了重要线索，也为利用生物技术生产高价值的呋喃克罗烷类化合物开辟了新的道路。
在这场探索中，研究人员用到了几个关键的技术方法。他们运用了生物信息学分析工具，通过自组织映射（Self - Organizing Map，SOM）和基于互排名的共表达分析（Mutual rank - based co - expression analysis，MRA），从大量的基因数据中筛选出可能参与呋喃克罗烷生物合成的基因。同时，还进行了基因克隆和异源表达实验，把相关基因导入酵母或大肠杆菌中，观察它们的功能和催化产物。此外，利用 GC - MS（气相色谱 - 质谱联用技术）和 LC - MS（液相色谱 - 质谱联用技术）等代谢物分析技术，对反应产物进行检测和鉴定。
下面来看看研究人员具体都有哪些重要发现吧。
基因发现
研究人员以五彩苏（Salvia splendens）为研究对象，在之前的研究中，他们已经找到了编码合成科拉文醇（kolavenol）的 II 类和 I 类二萜合酶的基因。为了进一步探寻呋喃克罗烷代谢后续步骤的相关基因，他们根据 “参与同一生物过程的基因往往共表达” 这一原理展开研究。他们以五彩苏的克罗烷合酶基因作为查询序列，从已有的转录组数据中挑选候选基因。
研究人员先使用 SOM 将基因按照表达模式聚类成不同的节点，把编码科拉文醇二磷酸合酶（KPS）的基因 SspdiTP2.1 作为 “诱饵” 。这个基因可是克罗烷骨架形成的关键，它所在的节点 225 包含 78 个基因，其中有 12 个被注释为编码细胞色素 P450 酶。为了进一步筛选出最有可能的细胞色素 P450 基因，研究人员又运用了 MRA。MRA 就像是一个 “基因排序器”，它根据基因表达模式的相似性对输入基因进行排序。通过这两种方法，他们成功发现了三个关键的细胞色素 P450 酶基因，分别是编码 Annonene Synthase（SsANS）的 Saspl_037721、编码 Hardwickiic Acid Synthase（SsHDAS）的 Saspl_010504 和编码 Hautriwaic Acid Synthase（SsHTAS）的 Saspl_010503123。
关键酶的发现与特征鉴定
研究人员通过实验验证了这些基因编码的酶的功能。他们将相关基因导入酵母中进行表达，利用 GC - MS 和 LC - MS 分析酵母培养物的提取物。结果发现，Saspl_037721 编码的蛋白（CYP76AH54）能将科拉文醇转化为 annonene，因此这个基因被命名为 annonene synthase（SsANS）。而 Saspl_010504 编码的细胞色素 P450 能作用于 annonene，生成 hardwickiic acid，所以它被确定为 hardwickiic acid synthase（SsHDAS） 。Saspl_010503 虽然在 MRA 中排名较低，但当它与其他相关酶共同表达时，能产生 hautriwaic acid，于是它被命名为 hautriwaic acid synthase（SsHTAS）234。
中间产物的积累部位
在墨西哥鼠尾草中，Salvinorin A 等呋喃克罗烷会在叶片背面的盾状腺毛中积累。那么五彩苏呢？研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，五彩苏叶片背面主要是直径可达 50μm 的盾状腺毛。对这些腺毛进行代谢物分析后发现，其中存在 hardwickiic acid、hautriwaic acid 和 salviarin，这表明五彩苏中的呋喃克罗烷也是在腺毛中产生的。此外，通过基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI - MSI）技术，研究人员还确定了 salviarin 在叶片背面的积累部位，发现 hautriwaic acid 和 salviarin 在盾状腺毛中的积累位置是一致的567。
墨西哥鼠尾草中相关酶的鉴定
考虑到五彩苏和墨西哥鼠尾草都属于 Calosphace 亚属，且都能产生类似的呋喃克罗烷，研究人员猜测它们在呋喃克罗烷生物合成途径的早期步骤中可能具有功能等效的酶。他们搜索了墨西哥鼠尾草盾状腺毛的转录组数据，鉴定出了具有科拉文醇合酶（KLS）、annonene 合酶（ANS）和 hardwickiic acid 合酶（HDAS）活性的酶。实验表明，这些酶与五彩苏中的同源酶具有相同的催化活性，这进一步支持了他们的猜测8910。
基因进化分析
研究人员还对相关基因的进化进行了深入研究。他们发现编码 SsANS 的基因是由编码 ferruginol 合酶的祖先基因通过新功能化进化而来的。在进化过程中，基因发生了一些变化，使得原本具有 ferruginol 合酶活性的基因逐渐获得了 annonene 合酶的功能。此外，通过对物种分化时间的估计和系统发育分析，研究人员推测呋喃克罗烷生物合成途径的早期步骤（ANS 和 HDAS）可能在 Calosphace 亚属分化后、物种形成之前就已经出现了111213。
综合研究结果，研究人员成功发现了参与五彩苏中呋喃克罗烷生物合成的三个新的细胞色素 P450 酶，分别是 SsANS、SsHDAS 和 SsHTAS，并且确定了它们在生物合成途径中的作用。同时，在墨西哥鼠尾草中鉴定出了具有相同催化活性的同源酶，这表明五彩苏可以作为研究鼠尾草属植物呋喃克罗烷生物合成的优秀模型。此外，研究还揭示了相关基因的进化关系，发现编码 SsANS 的基因起源于 ferruginol 合酶基因的新功能化，这为理解植物特殊代谢途径的进化提供了重要依据。
这项研究意义重大。从基础研究的角度来看，它加深了我们对植物特殊代谢产物生物合成机制的理解，让我们对植物体内复杂的化学反应有了更清晰的认识。在应用方面，研究结果为利用生物技术生产高价值的呋喃克罗烷类化合物，如 Salvinorin A，提供了新的工具和思路，有望推动相关药物的研发和生产。而且，研究中发现的细胞色素 P450 酶在植物二萜类代谢中起着关键作用，这为进一步探索植物代谢的奥秘打开了新的大门，也为植物代谢工程的发展提供了有价值的参考。
