两种远缘植物中吐根生物碱生物合成途径的平行与趋同进化研究

本研究针对吐根生物碱(ipecac alkaloids)在药用植物Carapichea ipecacuanha(茜草目)和Alangium salviifolium(山茱萸目)中的生物合成机制展开。研究人员通过代谢组学、转录组学和异源重建等方法，首次阐明这两种远缘植物通过非酶促Pictet-Spengler反应启动生物合成途径，并发现其采用不同的单萜前体(secologanin/secologanic acid)。研究揭示了1S和1R立体异构体的不同代谢命运，证明关键酶通过平行和趋同进化独立获得相同功能，为这类重要药用化合物的代谢工程奠定了基础。

　　

吐根生物碱是一类具有重要药用价值的单萜衍生的四氢异喹啉生物碱，其代表性成分如吐根碱(emetine)和去甲吐根碱(cephaeline)被广泛用作催吐剂和抗疟药物。令人惊奇的是，这类化合物仅存在于两个亲缘关系极远的植物物种中：茜草目(Gentianales)的Carapichea ipecacuanha和山茱萸目(Cornales)的Alangium salviifolium。这两个物种的分化时间可追溯至约1.5亿年前，却独立进化出了合成相同复杂生物碱的能力。这种趋同进化现象为研究植物次生代谢途径的起源和演化提供了绝佳模型。然而，吐根生物碱的生物合成途径长期存在诸多未解之谜，特别是起始反应机制、立体异构体的代谢命运以及远缘物种间途径的进化关系等关键问题亟待阐明。

德国马普研究所的Maite Colinas、Sarah E.O'Connor等研究人员在《Nature Chemical Biology》发表了这项突破性研究。团队采用多组学联用策略，通过代谢分析发现两种植物使用不同的单萜前体(C.ipecacuanha使用secologanin 1，A.salviifolium使用secologanic acid 2)；利用瞬时表达系统在烟草中重建完整通路；结合进化分析揭示关键酶的独立起源。研究证实起始的Pictet-Spengler反应可在液泡中非酶促进行，解析了1S和1R立体异构体的不同代谢命运，发现部分酶通过平行进化(如OMTs)而另一些则通过趋同进化(如GH-1和GH-3糖苷酶)获得相同功能。

关键技术方法包括：1) 植物组织特异性代谢组分析；2) 转录组测序与共表达网络构建；3) 烟草瞬时表达系统进行通路重建；4) 体外酶活测定；5) 系统发育分析。研究使用的植物材料来自德国马普研究所温室培养的C.ipecacuanha和比利时根特大学植物园提供的A.salviifolium。

吐根生物碱在两种远缘植物中的代谢分析

代谢谱分析显示C.ipecacuanha根茎和幼叶中积累相似水平的吐根生物碱，而A.salviifolium中前体物质主要存在于叶芽，终产物cephaeline则富集于根和茎皮。LC-MS检测证实C.ipecacuanha特有secologanin 1，而A.salviifolium特有secologanic acid 2，暗示两者使用不同前体。研究首次发现DAI/I(4a/4b)和DAI/IA(5a/5b)在两种植物中都存在1R和1S两种立体异构体。

吐根生物碱生物合成中的非酶促Pictet-Spengler反应

实验证明多巴胺(dopamine)与secologanin或secologanic acid在烟草叶片和长春花花瓣中无需酶催化即可自发发生Pictet-Spengler反应，且无立体选择性。与色胺(tryptamine)相比，多巴胺表现出更高的反应活性。在植物粗提物中未检测到相关酶活，结合液泡酸性环境促进非酶促反应的特性，研究提出该起始反应可能在液泡中自发进行。

吐根生物碱生物合成基因的发现

通过转录组分析和共表达网络，团队鉴定了C.ipecacuanha中的新糖苷酶CiS6DGD(与已报道CiDGD同源性71.4%)和酯酶CiDE等关键基因。在A.salviifolium中发现7个OMT基因(AsDOMT1-7)，其中AsDOMT1-2参与protoemetine合成，其他则特异性修饰R-异构体。系统发育显示C.ipecacuanha的OMTs(CiDOMT1-2和CiDPOMT)通过串联复制进化而来，而A.salviifolium则从不同OMT类别中独立招募酶基因。

原吐根碱生物合成途径的异源重建

在烟草中成功重建了从DAII(A)到protoemetine 8的全合成途径：CiDOMT1/AsDOMT1催化6-O-甲基化生成6-O-Me-DAIIA 6a；CiS6DGD/AsS6DGD特异性去糖基化；CiDR1/AsDR1催化两步还原；最后CiDPOMT/AsDPOMT完成10-O-甲基化。值得注意的是，protoemetine特异性糖苷酶CiS6DGD(GH-1家族)和AsS6DGD(GH-3家族)具有不同蛋白折叠，是趋同进化的典型例证。

物种特异的R-异构体代谢途径

C.ipecacuanha通过乙酰转移酶CilpS将R-异构体DAI 4b转化为ipecoside 11，而A.salviifolium则通过AsDOMT3-7将DAIA 5b甲基化为6-O-Me-DAIA 6b和7-O-Me-DAIA 12b。研究发现核定位的糖苷酶(DGDs)可能通过空间隔离机制防止有毒中间体的持续积累，这种"植物复仇者(phytoavengines)"策略与芥子油苷等防御系统相似。

这项研究揭示了自然界如何利用高活性起始底物构建复杂代谢途径的进化策略。在两种远缘植物中，吐根生物碱合成途径通过不同进化路线实现：C.ipec