近期，中国热科院橡胶所与武汉大学药学院、泰康医学院和中南医院等单位联合发布了海南特色南药益智特征化合物圆柚酮合成代谢机制及生物合成的最新研究成果，研究团队成功解析了益智圆柚酮的生物合成途径并利用挖掘到的关键基因在工程菌中实现了圆柚酮的全生物合成。
益智始载于唐朝《本草拾遗》，距今已有一千三百多年的历史，是海南省四大特色道地南药之一。作为橡胶林下经济重要的种植作物，已被海南省主推为十大天然橡胶林下经济发展模式作物之一（橡胶林下间作益智模式）。益智成熟种子中含有丰富的圆柚酮，是益智的特征化合物，其含量高低是判别益智仁品质优劣的重要指标。如何精准评价并且选育适合橡胶林下种植的优异益智品种，提升橡胶林下经济的效益是该产业提质增效面临的一个很重要的应用基础问题。解决这一问题有赖于弄清楚该特征化合物生物合成的关键基因。
不同发育时期益智果中圆柚酮代谢产物及其含量
为了解决该问题，研究团队采用前期开发的基于底盘的高通量基因筛选策略，对益智转录组中的圆柚酮代谢途径的候选基因进行了大量筛选，成功挖掘到了圆柚酮代谢环节的合成酶基因，通过体内外生化实验解析了圆柚酮的合成代谢机制。首先通过高通量筛选鉴定到合成圆柚酮的关键前体瓦伦烯的合成酶基因（AoVS）；随后构建瓦伦烯合成底盘逐步筛选鉴定合成其C2位羟化产物诺卡醇的特定P450氧化酶基因；最后利用诺卡醇合成菌继续筛选，鉴定到了参与诺卡醇氧化产物圆柚酮的3个SDR脱氢酶（AoSDR1/2/3），最终鉴定了合成圆柚酮的关键基因。该研究首次解析了单子叶植物益智来源的一条完整的圆柚酮生物合成途径：AoVS-AoCYP6/9/18-AoSDR1/2/3。并在此基础上，通过边筛选边构建的方式，优化了合成代谢关键酶基因的表达与活性，最终完成了工程酵母中的代谢重构。该研究特别发现一个赤霉素合成途径的CYP701家族基因具有氧化瓦伦烯的新功能，这为揭示植物CYP450酶的杂泛性增添了一个新的案例。
研究成果将有助于推进南药益智进入分子育种时代，可为利用分子聚合育种等新型生物育种技术在优良中药材特殊功效化合物圆柚酮的精准评价与选育种方面提供关键的靶标基因，也为利用代谢工程与合成生物学技术绿色合成圆柚酮提供了新的合成基因资源与策略。
相关研究成果以“Complete pathway elucidation and heterologous reconstitution of (+)-nootkatone biosynthesis from Alpinia oxyphylla”为题，发表在国际知名植物学期刊《New Phytologist》。论文第一署名单位为中国热带农业科学院橡胶研究所。中国热带农业科学院橡胶研究所邓小敏副研究员和武汉合生科技有限公司叶紫玲博士为该研究论文共同第一作者，武汉大学药学院鲁丽研究员和刘天罡教授为共同通讯作者。该研究得到了武汉合生科技有限公司、国家重点研发计划（2022YFA0912100）、海南省自然科学基金高层次人才项目（320RC734）和湖北省博士后创新实践岗位项目（[2019] No.2）的共同资助。
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