上海辰山植物园 English
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近日，辰山植物园科研中心赵清组与上海中医药大学中药研究所陈万生教授团队合作在《Plant Communications》上发表题为“Functional evolution and diversification of the CYP82D subfamily members shape flavonoid diversification in the genus Scutellaria”的研究论文。该研究运用多组学分析策略对黄芩属植物中黄酮类成分的化学多样性形成机制进行探究，挖掘并解析了CYP82D亚家族成员所进化出的多种新颖的催化功能，为探究药用植物品质形成机制与实现药用资源的可持续开发提供新的思路和策略。
唇形科黄芩属在全球约有360个种，我国约100种，是重要的药用植物资源类群。本研究选取了黄芩属的22个代表性物种展开研究，分子系统学将其分为以黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）和以半枝莲（Scutellaria barbata D. Don）为代表的两个分支。两个分支中物种的代谢轮廓呈现出显著性差异，其属内黄酮类合成途径呈现出以黄酮（黄芩分支）和黄烷酮（半枝莲分支）为骨架，以C-6/8位羟基化修饰为关键代谢流分化节点，继而通过下游甲基化、硫酸化、糖基化进行进一步结构修饰而成的次生代谢物网络。
之前的研究表明，黄芩中CYP82D亚家族负责黄芩素和汉黄芩素C-6/8位羟基化修饰。本研究进一步通过系统发育分析表明22个物种中的CYP82D亚家族成员呈现为5个进化分支。利用酵母微粒体蛋白体系对不同分支的代表基因开展体外酶活功能验证，并通过烟草瞬时转化体系对具有独特催化功能的CYP450进行了体内功能验证。结果显示，不同分支成员进化出以黄酮类化合物为底物的Ⅰ-Ⅳ型催化功能，并首次发现了具有黄酮-7-O-去甲基化功能的CYP450家族成员。
通过蛋白模型预测和底物分子对接对具有去甲基化功能的CYP82D511进行关键氨基酸位点预测，并通过定点突变实验阐明了C-4′位羟基在CYP82Ds底物选择性机制中发挥的重要作用。基于Ⅰ-Ⅳ型催化功能开展了祖先序列重构与功能表征，证明CYP82Ds催化活性的差异来源于以祖先基因进化为基础的新功能化与去功能化。结合黄酮生物合成途径关键基因CHS、CHI、FNSⅡ，从基因表达量、基因复制和亚功能化以及底物多样性等方面阐明了黄芩属植物中黄酮类成分的化学多样性形成机制，并证明了黄芩属是兼具谱系特异性和组织特异性的黄酮类生物合成途径研究的理想模型。
上海中医药大学中药研究所陈万生教授、海军军医大学第二附属医院胡佳栋博士、东北林业大学生命科学学院徐志超教授、上海辰山植物园赵清研究员为论文的共同通讯作者。上海中医药大学中药研究所邱实副研究员和博士研究生王晶及上海辰山植物园裴天林助理研究员为论文共同第一作者。中国科学院昆明植物研究所向春雷研究员参与了本项研究。本研究得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科协青年托举工程项目、上海中医药大学有组织科研项目、名贵中药资源可持续利用能力建设项目以及上海市资源植物功能基因组学重点实验室开放课题等项目的资助。
文章链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(24)00530-3
图1. 黄芩属中CYP82D亚家族功能多样性及底物选择性
文：裴天林
