广州中医药大学詹若挺/马东明团队解析菊属植物黄酮芸香糖苷的生物合成途径

菊属（Chrysanthemum）植物在世界范围内具有显著的观赏和医药应用，其中普遍存在黄酮芸香糖苷类化合物，如蒙花苷（Linarin，金合欢素-7-氧-芸香糖苷）、异野漆树苷（Isorhoifolin，芹菜素-7-氧-芸香糖苷）、地奥司明（Diosmin，香叶木素-7-氧-芸香糖苷）等，这种特殊结构黄酮的存在表明它们的亲本植物已经进化出一种连接1,6糖苷键的鼠李糖基转移酶（Rhamnosyltransferase，RhaT），它将鼠李糖基从供体转移到受体黄酮单糖苷上形成芸香糖苷。目前报道的鼠李糖基转移酶集中主要在以二氢黄酮苷（如柑橘属），花色苷（矮牵牛等），黄酮醇苷（拟南芥，大豆，荞麦等）为底物，然而缺少可以特异性催化黄酮单糖苷生成黄酮芸香糖苷，并且菊属植物中的鼠李糖基转移酶尚未被报道。

近日，广州中医药大学詹若挺/马东明团队在Plant Physiology发表了题为“Rhamnosyltransferases Involved in the Biosynthesis of Flavone Rutinosides in Chrysanthemum Species”的研究论文，揭示了菊属植物黄酮芸香糖苷生物合成的鼠李糖基转移酶，解析了黄酮芸香糖苷生物合成的糖基化步骤。

该研究首先在全国范围内收集到八种种质资源的野菊及其近缘种植物菊花脑：除广东省广州本土的野菊外，还包括湖北省黄石市阳新县（华润三九医药股份有限公司野菊花GAP基地）种质资源圃中五种野菊种质（安徽省安庆市，山西省晋中市，湖北省黄石市，江西省宜春市，湖北省黄冈市），两种菊花脑种质（江苏省南京市，湖北省黄冈市）。上述材料均移栽至广州中医药大学中药学院温室中培养。采用流式细胞仪与染色体核型推测倍体水平，基于细胞学水平阐明野菊中广泛存在二倍体和四倍体，与近缘种菊花脑基因组大小相近；并且形态特征多样，与二倍体相比，四倍体的头状花序大小总体上有所增加（图1A）。

同时，应用LC-MS/MS技术对上述种质资源中六种黄酮糖苷类化合物定量分析发现，蒙花苷（中药野菊花的质量指标性成分）在二倍体野菊的含量比四倍体野菊和二倍体菊花脑高；其中湖北省黄石市野菊（二倍体）的含量最高，为5347.34 µg/g DW，而广东省广州市野菊（四倍体）的含量最低，仅3.80 µg/g DW，相差约1400多倍（图1B）。

不同产地的物种间与物种内黄酮芸香苷含量相差较大，因此，进一步研究负责黄酮芸香糖苷生物合成的鼠李糖基转移酶。基于课题组前期转录组信息（Jiang et al., 2019）通过基因筛选，体外酶促鉴定了四个鼠李糖基转移酶（UGT79A20-UGT79A23）均能体外催化生成相应的黄酮芸香糖苷（图1C）。相对活性和酶动力学显示RhaTs体外最适底物为金合欢素-7-氧-葡萄糖苷。将RhaT（UGT79A20）超表达后，转基因植株的基因表达量和黄酮芸香糖苷含量较野生型相比均有不同程度地提高；转基因毛状根的蒙花苷（金合欢素-7-氧-芸香糖苷）含量（307.97 µg/g FW）比野生型（23.15 µg/g FW）提高约13倍（图1C）。以上研究均表明RhaTs负责菊属植物中黄酮芸香糖苷的生物合成。

此外，将RhaTs与催化底物结构类型相似的柑橘属1,6RhaTs（Frydman et al., 2013; Ohashi et al., 2016）在系统发育进化树和体外生化功能进行了比较。系统进化树显示RhaTs与柑橘属1,6RhaTs位于同一分支，并且同源的1,6RhaTs催化了相同的反应，表明菊属与柑橘属植物中的1,6RhaTs发生了趋同进化，增加我们对类黄酮芸香糖苷类化合物生物合成途径的认识（图2）。

综上所述，该研究揭示了菊属中不同种质资源的野菊及其近缘种的黄酮芸香糖苷生物合成路径中关键鼠李糖基转移酶。该研究为高含量蒙花苷的野菊等菊属植物种质选育提供基因资源，对丰富黄酮双糖苷类化合物生物合成途径多样性具有重要的意义；为今后基于鼠李糖基转移酶基因的菊属代谢工程和黄酮芸香糖苷的合成生物学的研究提供了基因元件，同时该团队建立的野菊毛状根体系也为黄酮芸香糖苷类化合物生物合成或糖基化修饰提供了良好的平台。

广州中医药大学2019级硕士研究生吴清文、华润三九医药股份有限公司魏民和广州中医药大学2020级硕士研究生冯铃芳为该论文的共同第一作者。广州中医药大学马东明副研究员和詹若挺教授为该论文的共同通讯作者。广州中医药大学杨锦芬研究员也参与了相关研究工作。感谢中国农业大学的马超研究员和华润三九医药股份有限公司的韩正洲（教授级）高级工程师对该论文的指导和帮助。该研究得到广州中医药大学一流学科建设专项（科研平台）—岭南中药资源教育部重点实验室（A1-AFD0181804）和广东省省级乡村振兴战略（农业科技创新及推广体系建设）专项—广东现代南药产业技术体系创新团队（2020KJ148）等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac371

转自： 植物生理PlantPhysiol

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