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二萜生物碱分布于极少数高等植物中，不仅结构复杂，种类也相当丰富，目前已分离出超过1,500余种二萜生物碱。同时，其生物活性亦极为显著，目前四种成药单体已在临床上广泛应用。虽然早在1833年首个二萜生物碱(aconitine)就被发现，然而至今其生物合成的机制仍不清楚。
近日，JIPB在线发表了云南大学植物次生代谢产物团队和重庆医科大学附属儿童医院计算基因组学团队合作完成的题为“Multi-omics analysis reveals the evolutionary origin of diterpenoid alkaloid biosynthesis pathways in Aconitum”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.13565）。研究人员以毛茛科富产二萜生物碱的乌头属植物黄草乌(Aconitum vilmorinianum)为研究对象，联合开展了对二萜生物碱合成基因起源与演化的研究。基于Nanopore三代基因组测序技术，并结合Hi-C和二代测序技术，从头组装了黄草乌染色体水平的参考基因组(5.76 Gb)。同时，基于团队前期推断的二萜生物碱生物合成候选基因家族分析，结合最小生成树算法(MST)等网络分析方法构建了“基因共表达网络”和“基因-代谢物互作网络”，从共表达网络中挖掘到潜在参与二萜前体形成、二萜生物碱骨架形成以及二萜生物碱骨架后修饰过程的关键核心基因(图1)。候选基因模块在二萜生物碱高积累的黄草乌侧根、地上嫩叶中强烈表达，且相关靶标基因的表达与主调控植物次生代谢的AP2/ERF转录因子呈现高度相关。
二萜骨架到二萜生物碱骨架的转变过程主要由贝壳杉烯氧化酶(kaurene oxidases，KOX)和氨基转移酶(aminotransferases，ATF)联合催化，二者是调控原始C20-骨架二萜生物碱形成的关键。基因分化时间估算揭示依次产生的黄草乌KOX和ATF基因可能介导了二萜生物碱的诞生，并且KOX基因的分化时间，与黄草乌和不产二萜生物碱的近缘物种耧斗菜（Aquilegia coerulea）间的物种分化时间也相吻合。进一步分析发现黄草乌特有的全基因倍增复制事件(WGD) (67.32 ± 5.52 Mya )或是二萜生物碱演化发生的前提。
研究人员通过比较基因组分析，系统揭示了乌头属植物二萜生物碱演化产生的遗传基础，并结合转录组学与代谢组学的联合分析，为发掘二萜生物碱关键功能基因及开展二萜生物碱生物合成基因异源重构等研究领域提供了潜在的研究方向。
图 1. 基于全基因组测序及多组学联合分析挖掘黄草乌二萜生物碱合成通路
云南大学植物次生代谢产物合成途径解析课题组近年来在二萜生物碱研究中取得了一系列进展，在天然产物领域经典期刊Natural Product Report、Journal of Natural Products、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Phytochemistry以及Chinese Chemical Letters等发表了系列成果。构建了云南乌头属植物资源库，共获得二萜生物碱230余个，包含41个新化合物，筛选到低毒且具较高活性的先导化合物8-O-ethylaconosine及fuziline；利用UPLC-qTOF-MS结合化学计量学的手段构建了二萜生物碱化合物库，提出了二萜生物碱骨架全新分类系统，并深刻探讨了二萜生物碱生物合成与演化。
云南大学赵大克教授和中国农业科学院农业基因组研究所博士生张娅为共同第一作者，重庆医科大学附属儿童医院寸玉鹏研究员、云南大学余迪求研究员和陈穗云教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。
参考文献：
Shen, Y., Liang, W., Shi, Y., Kennelly, E.J., and Zhao, D. (2020). Structural diversity, bioactivities, and biosynthesis of natural diterpenoid alkaloids. Nat. Prod. Rep. 37: 763-796.
Shi, Y.N., Zhao, Y., Qian, J., Dong, Z.Y., Wen, G.S.,* Zhao, D.K., Kennelly, E.J. (2021). Aconitumditerpenoid alkaloid profiling to distinguish between the official traditional Chinese medicine (TCM) Fuzi and adulterant species using LC-qToF-MS with chemometrics. J. Nat. Prod. 84:570-587.
Zhao, D., Shen, Y., Shi, Y., Shi, X., Qiao, Q., Zi, S., Zhao, E., Yu, D., and Kennelly, E.J. (2018). Probing the transcriptome of Aconitum carmichaelii reveals the candidate genes associated with the biosynthesis of the toxic aconitine-type C19-diterpenoid alkaloids. Phytochemistry 152:113-124.
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