解密肉苁蓉中松果菊苷的全合成途径及其在酵母中的从头生物合成

本研究针对松果菊苷(ECH)因结构复杂难以化学合成、植物提取产量低的瓶颈问题，通过整合肉苁蓉组织与愈伤组织的代谢组-转录组分析，首次解析了ECH的完整生物合成途径，并成功在酿酒酵母中实现7.52 mg/L的从头合成。该成果为帕金森病等神经退行性疾病治疗药物的可持续生产提供了新策略，同时揭示了寄生植物特殊代谢的调控机制。

　　

松果菊苷(ECH)作为肉苁蓉中最具代表性的苯乙醇苷类化合物(PhGs)，在神经保护、抗肿瘤等领域展现出重要药理活性，尤其对帕金森病(PD)和阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病具有显著疗效。然而，这种结构复杂的天然产物面临两大生产困境：化学合成因存在1,2-反式β-和α-糖苷键等立体中心而效率低下；植物提取则受限于肉苁蓉作为寄生植物的特殊生长习性——必须依赖梭梭或柽柳等宿主植物在干旱地区生长，导致自然资源稀缺。更棘手的是，传统栽培的肉苁蓉中ECH含量不足0.1%，远远无法满足全球医疗保健市场日益增长的需求。

北京理工大学联合清华大学等机构的研究团队在《Plant Communications》发表突破性成果。研究人员创新性地采用"植物组织-愈伤组织双模型"研究策略，通过整合多组学分析和合成生物学技术，不仅首次阐明了ECH在肉苁蓉中的完整生物合成途径，更成功在酿酒酵母中构建了7.52±1.42 mg/L产量的微生物细胞工厂。这项研究为ECH的工业化生产提供了全新解决方案，同时为理解寄生植物的特殊代谢网络提供了重要线索。

研究主要采用四大关键技术：①多生长阶段采样结合加权基因共表达网络分析(WGCNA)定位关键基因模块；②差异基因分析与代谢通路(MetaboAnalyst)联合预测候选基因；③酵母CRISPR/Cas9系统多基因编辑构建合成途径；④α-折叠(AlphaFold2)蛋白结构预测与分子对接验证酶-底物相互作用。所有植物样本均来自新疆奇台县沃霖生态公园的人工种植肉苁蓉，涵盖6个典型生长阶段。

研究结果首先通过"组织-愈伤组织双轨分析"揭示了ECH合成规律。对肉苁蓉6个生长阶段的代谢分析显示，ECH含量在地下10cm至表土阶段达到峰值(15.2 mg/g DW)，而在开花结实期骤降至痕量水平。有趣的是，其前体红景天苷(salidroside)呈现完全相反的积累模式，暗示代谢流调控的存在。通过建立肉苁蓉愈伤组织培养体系，研究人员发现添加6-苄氨基嘌呤(6-BA)可使ECH产量提升8.3倍，而外源红景天苷和苯丙氨酸分别促进产量增加4.5倍和3.8倍，这为后续途径解析提供了关键线索。

在"关键酶基因的挖掘与验证"部分，研究团队通过WGCNA从390,632个Unigenes中锁定19个核心模块。令人惊讶的是，负责催化红景天苷与咖啡酰辅酶A缩合的关键酶羟基肉桂酰转移酶(CdHCT)在植物组织中表达量极低(FPKM 0.01-0.85)，却在愈伤组织中暴增280倍，这可能是寄生植物依赖宿主获取前体的适应性表现。通过异源表达验证，研究人员鉴定出4-香豆酸辅酶A连接酶(Cd4CL1)和CdHCT能高效合成中间体osmanthuside A。

在"ECH合成途径的完整解析"阶段，研究依次鉴定了三个关键酶：①鼠李糖基转移酶(CdRHT)负责将osmanthuside A转化为osmanthuside B，其与玄参科植物Phheirospermum japonicum同源度达91.45%；②细胞色素P450(CdP450)催化生成acteoside，该酶与地黄来源的p-香豆酸-3-羟化酶相似度87.65%；③新型糖基转移酶(CdUGT)完成最终葡萄糖修饰，虽然与已知UGT同源度仅64.88%，却能高效催化ECH生成。

最终的"微生物合成体系构建"展现了合成生物学的强大潜力。研究团队以产红景天苷的酿酒酵母CEN.PK2-1C为底盘，通过引入Pt4CL1、SiAT1等异源基因，首先实现osmanthuside B的合成(3.66 mg/L)。随后引入CdP450与拟南芥细胞色素还原酶(MtCPR)构建氧化模块，结合CdUGT形成完整通路，最终在BY4742菌株中实现ECH的从头合成(7.52 mg/L)。特别值得注意的是，外源添加600 mg/L p-香豆酸可使acteoside产量提升至2.25 mg/L，这为后续途径优化指明了方向。

这项研究在理论和应用层面均取得重要突破。在科学认知方面，首次揭示了寄生植物特殊代谢的"低表达-高产出"现象，即肉苁蓉可能通过降低自身羟基肉桂酰转移酶表达来适应寄生生活方式。在技术创新层面，发现的CdUGT是首个报道的ECH特异性糖基化酶，丰富了植物糖基转移酶资源库。实际应用上，建立的酵母合成体系为ECH工业化生产提供了绿色替代方案，同时为其他苯乙醇苷类药物的生物制造提供了范式。值得关注的是，研究采用的"双组织关联分析"策略为难以培养的寄生植物代谢研究提供了新思路，而α-折叠预测的酶三维结构为后续理性改造奠定了坚实基础。随着合成生物学技术的发展，这项成果有望推动更多珍稀药用成分从实验室走向产业化。