一种全面的多组学方法揭示了细叶艾（Artemisia capillaris）中Scoparone的生物合成机制

《Plant Biotechnology Journal》：A Comprehensive Multiomics Approach Illuminates the Biosynthetic Mechanism of Scoparone in Artemisia capillaris

艾草中土臭酮的生物合成途径首次通过转录组和代谢组学分析明确，鉴定出关键酶AcOMT1并实现其在拟南芥中的异源表达，产量达3.03 μg/g干重。

　　本研究围绕一种传统的中药植物——黄花蒿（*Artemisia capillaris*）展开，旨在揭示其主要活性成分 scoparone 的生物合成路径。黄花蒿作为中药应用已有两千多年的历史，广泛用于治疗黄疸、慢性肝病和胆囊炎等多种疾病。近年来，随着对植物次生代谢产物的研究不断深入，黄花蒿中 scoparone 的药理活性也逐渐受到关注。然而，其生物合成机制尚未完全阐明，特别是关于 scoparone 的最后一步 O-甲基化反应的酶学基础和基因编码信息，一直是科学界关注的焦点。

本研究通过整合转录组和代谢组的全基因组数据，首次构建了黄花蒿的完整转录组和代谢物数据库。基于此，研究团队提出了一个接近完整的 scoparone 生物合成路径图，并成功鉴定了一个关键的 O-甲基转移酶基因——AcOMT1。AcOMT1 在黄花蒿的生物合成路径中扮演了至关重要的角色，负责 scopoletin 和 isoscopoletin 的甲基化反应，作为 scoparone 生物合成的最后一步。通过加权基因共表达网络分析、系统发育分析、亚细胞定位分析以及酶活性实验，研究团队验证了 AcOMT1 的功能，并进一步揭示了其对 scopoletin 的偏好性。分子对接和分子动力学模拟的结果表明，AcOMT1 对 scopoletin 的结合亲和力和稳定性均优于 isoscopoletin，从而解释了其在 scoparone 生物合成中的高效性和特异性。

为了验证 AcOMT1 在 scoparone 合成中的作用，研究团队还利用转基因技术在烟草（*Nicotiana benthamiana*）中构建了 scoparone 生物合成系统。通过将 AcOMT1 与关键的 scopoletin 合成基因（如 *AtF6'H1* 和 *AtCOSY*）共同表达，成功实现了 scoparone 的异源合成，最终在烟草叶片中获得了 3.03 μg/g 干重的 scoparone。这一成果不仅为 scoparone 的生物合成提供了全新的理论依据，还为通过合成生物学和代谢工程手段提升 scoparone 的产量提供了实际的技术路径。

研究团队还对黄花蒿不同组织中的 scoparone 含量进行了系统分析。结果显示，scoparone 在花和叶中积累较多，而在茎和根中含量较低。这一发现提示我们，花和叶可能是 scoparone 合成和积累的主要部位。此外，通过广泛靶向代谢组学分析，研究团队还鉴定了 scopoletin 和 isoscopoletin 等可能作为 scoparone 前体的代谢物，并进一步通过 PCA 和 OPLS-DA 等方法分析了不同组织中代谢物的分布差异。这些数据为理解 scoparone 的生物合成路径提供了重要的代谢信息支持。

在基因表达层面，研究团队利用 SMRT 和 NGS 技术对黄花蒿的转录组进行了深度测序，获得了高质量的全长转录本。通过对这些数据进行功能注释和差异表达分析，研究团队发现多个与 scoparone 合成相关的基因在花和叶中表达水平显著升高，尤其是 AcOMT1、F6'H 和 COSY 等关键基因。这些基因的表达模式与 scoparone 的积累趋势高度一致，进一步支持了它们在 scoparone 合成中的核心作用。

AcOMT1 的功能验证是本研究的重点之一。通过体外酶活性实验，研究团队发现 AcOMT1 能够有效催化 scopoletin 和 isoscopoletin 向 scoparone 的转化，而 AcOMT2 和 AcOMT3 未能表现出类似的催化活性。这表明 AcOMT1 是 scoparone 生物合成的关键酶。进一步的分子动力学模拟和结合能分析则揭示了 AcOMT1 对 scopoletin 的更高亲和力和更稳定的结合状态。这些结果为理解 AcOMT1 在 scoparone 合成中的作用机制提供了分子层面的证据。

此外，研究团队还对 AcOMT1 的亚细胞定位进行了分析，发现其主要存在于细胞质中。这一结果表明，scoparone 的甲基化反应可能发生在细胞质中，而非其他特定细胞器。结合酶活性和亚细胞定位的数据，研究团队进一步探讨了 scoparone 合成过程中可能涉及的多条路径，并推测 scopoletin 和 isoscopoletin 可能是 scoparone 的前体物质。这种多路径合成的推测为后续研究提供了新的方向，也为进一步优化 scoparone 的合成效率提供了理论依据。

本研究的另一个重要突破在于成功实现了 scoparone 的异源合成。通过在烟草中表达 AcOMT1 和相关合成基因，研究团队不仅验证了这些基因的功能，还实现了 scoparone 的高效生产。这一成果标志着植物生物合成研究的一个重要进展，同时也为未来利用合成生物学手段提高 scoparone 产量提供了实验基础。此外，研究团队还探讨了代谢工程在 scoparone 生产中的应用前景，指出通过调控上游基因表达、优化代谢通路和引入转录因子等策略，有望进一步提升 scoparone 的合成效率。

在研究方法上，本研究综合运用了多种先进的技术手段，包括高通量测序、代谢组学分析、分子对接和分子动力学模拟等。这些技术不仅提高了研究的准确性和全面性，也为解析复杂代谢路径提供了强有力的工具。通过这些方法，研究团队成功构建了 scoparone 的生物合成路径图，并揭示了 AcOMT1 在其中的关键作用。这一成果不仅加深了我们对 scoparone 合成机制的理解，也为未来相关药物和农业应用的开发奠定了基础。

综上所述，本研究首次系统解析了黄花蒿中 scoparone 的生物合成路径，并鉴定了关键的 O-甲基转移酶 AcOMT1。通过整合转录组和代谢组数据，研究团队不仅明确了 scoparone 合成的分子机制，还成功实现了 scoparone 的异源合成，为未来通过代谢工程提升 scoparone 产量提供了新的思路。此外，本研究还展示了多学科交叉研究在植物次生代谢产物研究中的重要性，为后续研究提供了可借鉴的方法论和技术路线。