近日，我院徐志超教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》（中科院一区，IF：15.1）在线发表了题为“基部双子叶植物苄基异喹啉类生物碱结构多样性形成机制（Lineage-specific CYP80 Expansion and Benzylisoquinoline Alkaloid Diversity in Early-diverging Eudicots）”的研究论文。基于本草基因组学研究策略，报道了催化青藤碱等苄基异喹啉生物碱（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）生物合成骨架形成的新颖酶，发现种系特异的CYP80基因扩张及新功能化驱动了防己科物种苄基异喹啉生物碱（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）结构多样性，为BIAs药用活性物质的绿色合成及药物开发提供支撑。

BIAs结构类型多样，药用价值高，如镇痛药物吗啡因、抗菌药物小檗碱等，也是重要的林源活性物质，广泛分布在双子叶植物的早期分化类群及木兰类中。近年来，我院客座教授陈士林院士团队相继完成毛茛科黄连（Liu et al., Nature Communications, 2021）、罂粟科毛黄堇（Xu et al., Plant Journal, 2022）、防己科千金藤属（Leng et al., Nature Communications, 2024）等物种中BIAs的代谢合成、起源进化及抗病毒活性等研究。然而，多数BIAs结构多样性形成及修饰的关键酶仍然未知，如防己科物种积累的双苄基异喹啉（千金藤素，抗病毒）、吗啡烷类（青藤碱，抗风湿）等，其结构多样性形成及进化的分子机制尚不明确。研究团队以防己科中药北豆根（Menispermum dauricum）为研究对象，破译其高质量基因组，追溯其物种进化、全基因组复制事件及染色体进化历程，提出“北豆根基因组可作为研究双子叶植物进化的理想模型”；研究人员进一步通过代谢组追踪了北豆根不同部位BIAs的结构类型差异；通过比较基因组发现防己科物种CYP80基因的显著扩张，该基因家族扩张及组织特异性表达驱动了BIAs不同结构类型的多样性。重要的是，创新性发现了催化牛心果碱发生C2'-C4a酚耦合反应生成清风藤碱（多花罂粟碱的对映异构体）的新颖酶MdCYP80G10，该酶具有严格的立体选择性，特异性识别（S）型牛心果碱。本研究为“基因组进化驱动植物代谢多样性形成”理论提供新的范例。

图1 CYP80基因扩张和组织特异性表达驱动了防己科BIA结构类型的多样性

东北林业大学生命科学学院为该研究的第一署名单位。我院博士研究生安周捷为论文的共同第一作者。东北林业大学徐志超教授、成都中医药大学陈士林院士、中国中医科学院中药研究所孙伟研究员、北京化工大学范华昊教授、中国中医科学院中药研究所高冉冉博士为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划青年科学家、国家自然科学基金面上等项目支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309990