近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物系副教授黃安誠團隊在《自然—化學(xué)生物學(xué)》上發(fā)表最新研究成果。研究人員通過重塑本氏煙草代謝流，構(gòu)建了高產(chǎn)異黃酮植物合成生物學(xué)底盤，實現(xiàn)關(guān)鍵異黃酮染料木素和大豆苷元在干葉片中產(chǎn)量分別達到了11.8 g/kg和7.0 g/kg。
研究人員進一步結(jié)合多組學(xué)技術(shù)解析作物大豆中6種抗菌植保素，實現(xiàn)大豆素及多類重要活性異黃酮在本氏煙草中的高效全生物合成，其中大豆素I和大豆素II在干葉片產(chǎn)量分別達到2.6g/kg和5.9g/kg。
研究示意圖。南科大供圖
植保素是植物應(yīng)對環(huán)境壓力進化出的化學(xué)防御機制，通常多在病蟲害侵襲時合成，豆科植物能夠特異合成異黃酮類化合物作為植保素。其中，大豆素是大豆中特有的異黃酮植保素，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜且抗菌活性強的特性，不僅能幫助大豆抗病，還具有抗癌和抗菌等藥物開發(fā)潛力。然而，大豆素在大豆中含量極低，通過化學(xué)合成和植物提取分離難以實現(xiàn)量產(chǎn)。合成生物學(xué)為實現(xiàn)綠色生物智造量產(chǎn)提供了可能性。
該研究中，研究人員在本氏煙草中重構(gòu)了大豆素上游前體——大豆苷元的生物合成通路，進一步采用多種策略組合調(diào)控代謝流，成功實現(xiàn)了在僅過表達通路基因的基礎(chǔ)上，將異黃酮產(chǎn)量提升了3到5倍。這一成果為后續(xù)的大豆素合成通路解析提供了充足的代謝前體。
進一步地，研究人員利用共表達分析技術(shù)，從大豆轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中篩選出候選基因進行功能驗證，最終鑒定出6種細胞色素P450單加氧酶能夠催化大豆素E環(huán)的形成，從而成功合成多種大豆素，并進一步構(gòu)建大豆毛狀根體系。研究團隊利用CRISPR/Cas9技術(shù)獲得敲除不同大豆素合酶的大豆毛狀根突變體，發(fā)現(xiàn)突變體在病原疫霉菌侵?jǐn)_后，大豆素?zé)o法合成或合成量顯著降低，研究首次明確了這些大豆素合酶在植物中的作用。
研究人員構(gòu)建的高產(chǎn)異黃酮本氏煙草底盤，可用于多種類型活性異黃酮的綠色從頭合成，包括大豆素和美迪紫檀素等。研究人員進一步測試了上述活性異黃酮的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)13-表-大豆素III 和美迪紫檀素對致病大豆疫霉菌和煙草疫霉菌具有強抑菌活性，而大豆素III的抑菌活性則較弱，揭示了抗菌活性與化合物的構(gòu)效關(guān)系，尤其是C13位立體構(gòu)型對抑菌活性的重要影響，為開發(fā)新型植物源生物農(nóng)藥提供了候選化合物及綠色生物合成技術(shù)。
該研究深化了對大豆防御機制的認(rèn)知，為高抗病和功能性大豆品系的培育提供了基因元件和分子靶標(biāo)。大豆素及其他異黃酮植保素的高效合成底盤及其技術(shù)的發(fā)展，將拓寬活性植物異黃酮的來源，及其在醫(yī)藥和健康領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41589-025-01914-3
本文鏈接：科學(xué)家實現(xiàn)大豆素等異黃酮植保素的綠色生物全合成http://m.sq15.cn/show-11-21680-0.html
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