《Plant Communications》：Multi-omics and functional analyses of Aesculus wilsonii uncover moretane- and oleanane-type triterpenoid biosynthesis
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本研究针对药用植物七叶树(Aesculus wilsonii)中结构多样的三萜类化合物生物合成机制不清的问题，通过整合代谢组学、基因组学与功能验证，完成了近端粒到端粒基因组组装，鉴定出4个三萜生物合成基因簇(TBGC)，发现新型莫雷烷/何帕烯合成酶AwOSC13(MHS)可催化形成莫雷醇和hop-17(21)-烯-3β-醇，阐明AwCYP716A278和AwCYP716A277分别介导β-香树脂素C-21和C-28羟基化的分支途径，为植物三萜多样性进化和天然产物开发提供新见解。
在传统中医药宝库中，七叶树的种子"梭罗子"因其丰富的三萜类成分而备受推崇，其中七叶皂苷(aescins)更被证实具有抗炎、抗病毒等多种药理活性。然而，这些结构复杂的三萜化合物如何在这种药用乔木中合成，其生物合成途径有何独特之处，一直是科学家们亟待揭开的谜题。更令人困惑的是，早在1965年就从植物中分离得到的莫雷醇(moretenol)，虽表现出显著的抗炎、抗菌和保肝活性，但其生物合成路径却长期笼罩在迷雾之中。这些知识空白严重制约了通过合成生物学手段大规模生产这些高价值药用成分的进程。
为系统解析七叶树三萜代谢的奥秘，华中农业大学舒少华团队联合多家科研单位，在《Plant Communications》上发表了最新研究成果。研究团队运用整合生物学策略，通过UPLC-MS/MS和GC-MS代谢组学分析，在七叶树种子中鉴定出135种三萜类化合物，分属9种骨架类型，其中齐墩果烷型占比最高(68.89%)，并发现一种未被表征的莫雷烷型三萜。通过Illumina、PacBio Sequel II和Hi-C技术组合，成功组装了染色体级别的近端粒到端粒(T2T)基因组(大小474.66 Mb)，注释得到34,279个蛋白编码基因。比较基因组学分析揭示了七叶树特有的全基因组复制(WGD)事件。
研究的关键突破在于鉴定了4个三萜生物合成基因簇(TBGC-1至TBGC-4)。通过共表达分析和功能验证，发现TBGC-2中的AwCYP716A278能将β-香树脂素(β-amyrin)转化为21β-羟基-β-香树脂素，而AwCYP716A277则催化产生28-羟基-β-香树脂素和齐墩果酸(oleanolic acid)。分子对接和定点突变揭示了决定产物特异性的关键氨基酸残基。更引人注目的是，TBGC-4中的AwOSC13被表征为一种新型双功能酶——莫雷醇/何帕烯合成酶(MHS)，能催化(S)-2,3-氧化角鲨烯生成hop-17(21)-烯-3β-醇和莫雷醇，后者结构经NMR和MS确证。通过在烟草本氏烟(Nicotiana benthamiana)中异源表达，成功在植物体内重建了该通路。
代谢谱分析揭示三萜多样性
通过对七叶树种子进行系统性分析，研究团队发现其含有71种齐墩果烷型三萜，这些化合物主要通过β-香树脂素的氧化、糖基化和酰化修饰产生。值得注意的是，莫雷醇在叶片和成熟期种子中含量较高，而原七叶皂苷元(protoescigenin)、七叶皂苷A(aescin A)和B(aescin B)在种子发育中期(9月)显著积累，这为后续基因表达关联分析提供了重要线索。
高质量基因组解析进化特征
基因组分析显示，七叶树经历了特有的全基因组复制事件，这与三萜代谢途径的扩张密切相关。基因家族分析发现511个基因家族发生扩张，这些家族富集于核苷酸合成、ATP合成等代谢过程，为三萜类化合物的高效合成提供了代谢基础。
三萜生物合成基因簇的功能分化
研究发现的四个TBGCs在基因组中呈现不同的分布模式。TBGC-1和TBGC-4主要包含氧化角鲨烯环化酶(OSC)基因，而TBGC-2和TBGC-3则富含CYP716家族基因。系统进化分析表明，这些基因簇在不同植物中具有不同的进化模式，其中II型TBGC(含β-AS和CYP716)与齐墩果烷型三萜合成相关，而III型TBGC则可能负责莫雷烷型三萜的生物合成。
CYP716酶的功能特异性机制
AwCYP716A277和AwCYP716A278虽同属CYP716家族，却催化β-香树脂素的不同位点羟基化。通过序列比对和分子对接模拟，研究发现其催化口袋的氨基酸组成差异决定了底物结合方向，进而影响羟基化位点选择。这种功能分化可能是基因复制后新功能化的结果。
新型双功能环化酶的发现
AwOSC13(MHS)的发现是本研究的重要亮点。该酶不仅能催化生成典型的五环三萜骨架，还能通过独特的环化机制产生莫雷烷型和何帕烯型三萜。催化机制分析表明，其特有的LWCYG和DGTAI motifs与其他已知OSCs不同，这可能是其产生双功能的基础。定点突变实验证实G262残基对催化活性至关重要。
三萜通路的进化视角
跨物种比较基因组学分析显示，TBGCs在植物界具有不同的进化轨迹。I型TBGC在核心双子叶植物中保守存在，II型TBGC与齐墩果烷型三萜合成相关，而在七叶树及其近缘物种中发现的III型TBGC则可能代表了莫雷烷型三萜合成的特化途径。
该研究不仅首次阐明了莫雷醇的生物合成路径，揭示了七叶树三萜代谢的复杂调控网络，还为利用合成生物学技术生产药用三萜化合物提供了关键基因元件和理论依据。特别是AwOSC13的发现，为解决长达半个多世纪的莫雷醇生物合成谜题提供了答案，为开发具有抗炎、抗癌活性的新型三萜药物奠定了坚实基础。这些发现对理解植物次生代谢进化及药用植物资源开发具有重要指导意义。
