中药黄芪是蒙古黄芪或膜荚黄芪的干燥根，始载于《神农本草经》，被列为上品。黄芪三萜是黄芪的主要有效成分，具有多种药理活性，包括免疫激活、器官保护、抗癌和治疗糖尿病等。然而，由于黄芪三萜结构复杂且黄芪自然资源有限，传统的分离提取或化学合成方法成本较高，限制了基于黄芪三萜类药物的开发。因此，利用合成生物学或基因编辑手段实现黄芪三萜异源生产或植物高效合成，被认为是解决这一资源短缺瓶颈的有效途径，但是关于其合成通路一直未被完整解析。

中国科学院昆明植物研究所植物化学与天然药物重点实验室天然药物化学前沿交叉团队负责人黄胜雄研究员团队对膜荚黄芪（Astragalus membranaceus）不同组织的转录组数据进行了深入分析，发现了可能参与黄芪三萜生物合成的氧化酶和糖基转移酶——AmCYP88D25和AmGT11。与此同时，该研究团队对膜荚黄芪进行了基因组测序和分析，最终挖掘到了可能负责黄芪三萜生物合成的基因簇，该基因簇除了包括上述AmCYP88D25和AmGT11两个基因外，还包括其他三个氧化酶（AmCYP88D7、AmCYP71D756、AmOGD1）和一个糖基转移酶基因（AmGT36）。通过体外酶活验证、烟草瞬时表达、酵母体内功能分析和毛状根RNAi突变株表征等手段，确认了位于基因簇上的这六个基因在黄芪三萜生物合成中的关键作用。在此基础上，研究团队将上述六个基因（AmCYP88D25、AmCYP88D7、AmCYP71D756、AmOGD1、AmGT11、AmGT36）与AtCPR1、AmOSC3和NbtHMGR在本氏烟草中进行共表达，成功实现了黄芪三萜在烟草叶片的异源合成，产量可达2.224 mg/g干重。

该研究发现的黄芪三萜生物合成基因簇是目前报道的自然界最大天然产物生物合成基因簇（4 Mb）。与之前报道的三萜类基因簇不同，这一基因簇缺少骨架合成酶，为其他萜类天然药物的生物合成解析提供了重要参考。基因簇中AmOGD1参与黄芪三萜的生物合成说明了植物似乎不仅利用细胞色素P450氧化酶，还可以利用α-酮戊二酸依赖的双加氧酶家族（AmOGD1）成员修饰三萜骨架。此外，这些基因的挖掘和生物合成途径的完整解析为后续的中药新品种选育及黄芪三萜抗心衰创新药物研发奠定了坚实的基础。

以上成果以Total biosynthesis of the medicinal triterpenoid saponin astragalosides为题，发表在Nature Plants。黄胜雄专题组的徐冰艳博士研究生、黄建萍研究员、彭国情和曹文颖硕士研究生为本论文的共同第一作者，黄胜雄研究员为通讯作者，成都中医药大学和鲁南制药集团合作者为本研究提供了大力支持。上述工作得到了国家自然科学基金、国家合成生物学重点研发计划和云南省“兴滇英才支持计划”等项目资助。

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图1 黄芪三萜的生物合成

a 黄芪植物及中药饮片； b 黄芪三萜的生物合成基因簇； c 黄芪三萜的生物合成途径及在烟草叶片中的生产