米团花二倍半萜化合物生物合成研究

天然二倍半萜化合物结构独特、新颖，具有广泛的生物活性，主要分布于海洋生物中，在植物界中较为少见，其生物合成研究很少，植物体中的生物合成研究未见报道。本项目组前期发现唇形科植物米团花的腺毛能合成一类新奇骨架的二倍半萜化合物，对该植物防御病虫害的进攻起到非常重要的作用。因此本项目拟在前期对米团花二倍半萜化合物化学和生态学功能的研究基础上，开展米团花二倍半萜化合物生物合成的研究，采用同位素嵌入法研究该类化合物被标记的规律，克隆催化二倍半萜前体化合物合成的关键酶基因，揭示二倍半萜化合物在植物体内生物合成的主要途径，为从分子水平上研究该类化合物在植物体内的防御功能奠定基础，同时为抗病虫害农作物的研究提供参考价值。

本项目对米团花二倍半萜生物合成进行了系统深入的研究，克隆并功能鉴定了米团花二倍半萜生物合成关键酶基因——GFPP合成酶基因（Geranylfarnesyl diphosphate synthase，GFPPS）。米团花腺毛能高度富集二倍半萜化合物，通过对腺毛转录组测序及数据分析，发现15个异戊烯基焦磷酸合成酶（Isoprenyl diphosphate synthases，IDSs）unigenes，结合RACE技术，克隆到10个独立的异戊烯基焦磷酸合成酶全长cDNA，命名为LcIDS1-10。其中LcIDS3：①体外重组蛋白能催化IPP与GPP、FPP、GGPP反应生成GFPP；②基因表达模式与二倍半萜的含量分布模式高度一致，均在腺毛中积累最高，其次是叶、嫩茎和花；③过量表达LcIDS3的转基因拟南芥粗酶能催化FPP与IPP反应生成GFPP，因此推测LcIDS3即为米团花GFPP合成酶（LcGFPPS），参与了米团花二倍半萜的生物合成。亚细胞定位及MVA和MEP途径抑制剂处理分析表明，米团花二倍半萜的生源途径可能与二萜生源途径相同，为定位于质体的MEP途径。过量表达LcGFPPS的转基因拟南芥表现出莲座分枝增多的表型，表明LcGFPPS及其终产物可能参与植物生长发育（尤其是莲座分枝）调控。此外，二倍半萜的防御功能可能与茉莉酸甲酯（MeJA）和水杨酸（SA）信号途径相关。进化分析表明，LcGFPPS可能起源于植物中已存在的GGPP合成酶的复制及功能趋异突变。该研究首次揭开了植物二倍半萜生物合成的神秘面纱，揭示了植物二倍半萜的出现可能源于环境胁迫作用下二萜代谢途径的复制和功能变异，即新颖特殊的次生代谢产物起源于保守的已存在的代谢途径，并从分子水平证实了植物二倍半萜的防御功能以及对植物生长发育的调控作用，为植物二倍半萜的应用奠定了基础。本项目发表SCI论文5篇，大会报告2次，协助培养博士生2名和硕士生1名，获1项国家自然科学基金面上项目的进一步资助。