PBJ | 金银花和山银花的前世与今生：中国药科大学齐炼文教授团队破译其基因组与化学成分异同

近日，中国药科大学齐炼文教授团队破译了山银花（Lonicera macranthoides，灰毡毛忍冬）的植物基因组，并全面比较了山银花与其同属相似植物金银花（Lonicera japonica）在代谢组、基因组和转录组的异同，阐明了山银花富含常春藤型五环三萜皂苷而金银花含量极低的潜在分子机制，鉴定了常春藤型五环三萜皂苷生物合成通路中的关键CYP450编码基因LmOAS1和糖基转移酶编码基因LmUGT73P1。该研究成果为全面解析忍冬属植物基因组进化和常春藤型五环三萜皂苷生物合成通路奠定了良好基础，为金银花和山银花的临床应用拓展了新方向，相关研究成果在线发表在植物学国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14123）。

金银花和山银花是中国药典记载的常用抗病毒中药材，在预防和抗击SARS病毒和新冠病毒过程中发挥了重要作用。药典中记载金银花和山银花几乎具有相同功能，都具有清热解毒功效。在2020版药典记载中有近92种方剂含有金银花药材，近14种方剂中含有山银花药材，然而在特定中药方剂中究竟加入哪种药材具有更好的药效，目前仍不清楚。因此，迫切需要全面的比较金银花和山银花的基因组序列、次生代谢物组成和丰度、药理活性及临床疗效，为二者的临床合理用药提供参考。

山银花（Lonicera macranthoides，灰毡毛忍冬）和金银花（Lonicera japonica）从形态上观察极其相似、难以通过性状鉴别，一个细小的区别是山银花表面较光滑，金银花表面则含有较多的绒毛。该团队首选采用定性和定量代谢组学方法对多批次的山银花和金银花忍冬中药材进行比较分析，发现二者差异次生代谢化合物主要包括：黄酮类（金银花略高于山银花）、环烯醚萜类（金银花略高于山银花）、有机酸类（山银花略高于金银花）以及皂苷类（山银花远高于金银花）等物质。特别是常春藤型五环三萜皂苷类物质两者差异巨大，灰毡毛忍冬含量高达近86 mg/g，其中灰毡毛忍冬皂苷乙Macranthoidin B达70 mg/g，而金银花中常春藤型五环三萜皂苷含量仅为0.045 mg/g （图1）。

图1 灰毡毛忍冬与金银花定性定量比较代谢组学研究

为进一步阐明山银花和金银花常春藤型五环三萜皂苷类物质差异巨大的内在分子机制，作者构建了首个染色体水平的山银花灰毡毛忍冬高质量基因组图谱。与金银花基因组对比研究发现二者同源基因编码序列、氨基酸序列相似度较高，基因组整体线性关系良好、但存在部分染色体倒位现象，二者约在1.3-2.27百万年之前发生分化；系统分子进化树分析显示与山银花和金银花进化关系较近的为Daucus carota 和Lactuca sativa等物种（图2）。

图2 灰毡毛忍冬与金银花忍冬比较基因组学研究

基于山银花灰毡毛忍冬与金银花忍冬之间的比较基因组学和转录组学分析发现，常春藤型五环三萜皂苷生物合成通路相关基因在二者中差异表达可能是造成皂苷含量差异巨大的内在原因；该类基因的转录表达在灰毡毛忍冬中显著高于金银花忍冬，特别是合成通路中的齐墩果酸合酶（LmOAS）和糖基转移酶（LmUGT73）编码基因 (图3)。

图3 灰毡毛忍冬与金银花忍冬比较转录组学研究

作者进一步通过基因克隆、蛋白异源表达纯化和体内外酶活实验，借助大肠杆菌、酵母和烟草等系统证明LmOAS1能有效催化β-Amyrin的C-28氧化形成常春藤型五环三萜皂苷生物合成前体物质齐墩果酸；LmUGT73P1能特异催化cauloside A生成常春藤型五环三萜皂苷生物合成中间体物质α-hederin。研究人员通过分子对接、氨基酸位点突变等实验进一步鉴定了影响LmOAS1和LmUGT73P1酶催化活力的关键氨基酸位点；此外，作者还通过生物信息学分析发现LmOAS1和LmUGT73P1的启动子区域含有的顺式作用元件与金银花忍冬中线性同源基因的启动子区顺式作用元件有较大差异，且LmOAS1和LmUGT73P1在山银花灰毡毛忍冬中存在染色体“邻位复制”和基因扩张现象 （图4和图5），这可能是导致它们在山银花灰毡毛忍冬和金银花中表达差异的原因之一。

图4 LmOAS1酶活功能验证

图5 LmUGT73P1酶活功能验证

以上研究为理解忍冬属植物的进化、次生代谢化合物的含量差异、常春藤皂苷元型五环三贴皂苷的生物合成提供参考，同时为山银花和金银花等药用植物的遗传育种和品质改良奠定良好基础。

中国药科大学尹小建研究员（现工作于中国科学院东北地理与农业生态研究所），黄丰青副教授，课题组已毕业硕士研究生向亚萍、陈雅惠为论文的共同第一作者；中国药科大学齐炼文教授、陆续副教授、美国德克萨斯理工大学Luis Herrera-Estrella教授和Lam-Son Phan Tran教授为论文的共同通讯作者。中国药科大学李萍教授、江苏省农科院张保龙研究员和安徽师范大学阚显照教授也为本课题的开展提供了帮助与指导。本研究得到了国家自然科学基金（NSFC, nos. 81825023 and 82173918）和国家重点研发（2019YFC1711000）资金的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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