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为探究呋喃色酮（Furochromones）的生物合成途径，研究人员以药用植物防风（Saposhnikovia divaricata）为对象开展研究。他们解析出其主要呋喃色酮的合成途径，明确关键酶功能，发现相关进化机制。该研究为呋喃色酮的代谢工程生产奠定基础。
在神奇的植物王国里，有一种特殊的化合物 —— 呋喃色酮，它可是许多植物的 “秘密武器”。呋喃色酮具有抗炎、护肝、抗病毒等多种功效 ，像凯林（khellin）在欧洲就被用作平滑肌松弛剂和心脏保护药物。在伞形科植物中，它更是重要的生物活性成分，例如防风（Saposhnikovia divaricata）就含有丰富的初级 - O - 葡萄糖基升麻苷（prim-O-glucosylcimifugin，POG）和 5-O - 甲基维斯阿米醇苷（5-O-methylvisamminoside，5-O-MVG），这些成分对治疗呼吸道病毒感染、I 型过敏、结肠炎等疾病都有帮助。
然而，呋喃色酮的生物合成途径一直是个未解之谜。简单色酮的生物合成研究较为广泛，可呋喃色酮却不同，虽然知道一些可能参与其合成的酶，但具体的催化过程和相关基因仍不清楚。为了揭开这个谜团，来自北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室等研究机构的研究人员展开了深入研究。
研究人员通过一系列实验，成功解析了防风中 POG 和 5-O-MVG 的生物合成途径。他们首先对防风的叶、叶柄和根进行了代谢分析，发现根中含有更丰富的呋喃色酮。接着，他们对防风进行了基因组测序、组装和注释，获得高质量基因组和多组织 RNA-Seq 数据，在此基础上筛选出候选基因。
通过基因克隆和表达，研究人员对 7 种酶进行了功能表征。其中，戊酮色酮合酶（SdPCS）能将丙二酰辅酶 A 转化为去甲异甘草素；异戊烯基转移酶（SdPT）可将去甲异甘草素转化为佩库宁（peucenin）；佩库宁环化酶（SdPC）能催化佩库宁形成维斯阿米醇（visamminol）等。这些酶在不同的染色体上协同作用，共同完成呋喃色酮的合成。
研究人员还实现了在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）叶片中从头合成呋喃色酮。他们将 7 个相关基因导入本氏烟草叶片，成功检测到 POG 和 5-O-MVG 的生成，这为呋喃色酮的生产提供了新的思路。
在探究呋喃色酮生物合成途径在伞形科植物中的进化机制时，研究人员纳入了 7 种其他伞形科植物进行分析。结果发现，呋喃色酮在防风中的积累量远超其他物种。进一步研究表明，SdPCS 基因的近端重复和高表达，以及特异性佩库宁环化酶基因 SdPC 的存在，是防风中呋喃色酮大量积累的关键原因。在其他伞形科植物中，由于缺乏功能性的 SdPC 基因，导致呋喃色酮含量较低。
该研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重要意义。它首次完整解析了防风中主要呋喃色酮的生物合成途径，为深入理解呋喃色酮的合成机制提供了依据。同时，揭示的进化机制有助于研究伞形科植物的代谢差异和演化关系。此外，在本氏烟草中实现呋喃色酮的从头合成，为其代谢工程生产奠定了基础，有望推动相关药物的研发和生产。
在研究方法上，研究人员主要运用了基因组测序技术，对防风基因组进行测序、组装和注释；转录组分析技术，通过 RNA-Seq 量化基因表达丰度；蛋白质表达与纯化技术，用于表达和纯化候选生物合成基因编码的蛋白；酶活性测定技术，检测酶的催化功能；分子克隆技术，构建重组质粒用于基因表达；以及代谢分析技术，测定植物组织中呋喃色酮的含量。
研究结果具体如下：
- 提出呋喃色酮生物合成途径及基因挖掘：通过 LC/MS 分析防风不同器官的化学成分，发现根中呋喃色酮含量较高。对防风基因组进行测序、组装和注释，筛选出与呋喃色酮生物合成相关的候选基因。
- 呋喃色酮骨架的生物合成：确定 SdPCS 和 SdPCS2 可催化生成去甲异甘草素，SdPT 和 SdPT2 能引入异戊烯基生成佩库宁，SdPC 可催化佩库宁形成维斯阿米醇，这些酶共同作用构建了呋喃色酮的基本骨架。
- 呋喃色酮生物合成的后修饰步骤：鉴定出 SdCH 可催化羟基化反应，SdOMT 负责甲基化反应，SdUGT1 和 SdUGT2 催化糖基化反应，这些后修饰反应进一步完善了呋喃色酮的结构。
- 在本氏烟草叶片中从头合成防风呋喃色酮：将 7 个相关基因导入本氏烟草叶片，成功检测到 POG 和 5-O-MVG 的生成，优化条件后提高了产量。
- 伞形科植物中色酮及其生物合成基因的分布：对比 8 种伞形科植物发现，呋喃色酮在防风中特异性积累，其生物合成基因在不同物种中的分布存在差异。
- SdPCS 的近端重复促进防风中呋喃色酮的积累：SdPCS 基因的近端重复和高表达，使其催化生成的去甲异甘草素增多，进而促进呋喃色酮的积累。
- 大多数伞形科植物中功能性 PC 基因的缺失导致呋喃色酮含量低：除防风外，其他伞形科植物中未检测到功能性 PC 基因，这是其呋喃色酮含量低的重要原因。
研究结论和讨论部分强调，该研究全面解析了防风中主要呋喃色酮的生物合成途径，明确了 7 种酶的功能，并揭示了其在伞形科植物中的进化机制。这不仅为呋喃色酮的生物合成研究提供了关键见解，还为其代谢工程生产搭建了重要平台，对推动植物天然产物研究和相关药物开发具有重要意义。
