The chemical profiling of Salvia plebeia during different growth periods and the biosynthesis of its main flavonoids ingredients
- 作者
- Yiqun Dai, Ziyu Ye, Hui Liu, Ruirui Zhu, Lanlan Sun, Shuai Li, Guoyong Xie, Yan Zhu, Yucheng Zhao, Minjian Qin
- 单位
- Department of Resources Science of Traditional Chinese Medicines, School of Traditional Chinese Pharmacy, China Pharmaceutical University, Nanjing; School of Pharmacy, Bengbu Medical College, Bengbu; Yangzhou Center for Food and Drug Control, Yangzhou
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1228356
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
阐明荔枝草（Salvia plebeia）不同器官在生长发育过程中活性成分的组成与积累规律，以及主要黄酮成分（hispidulin和homoplantaginin）的生物合成机制。
研究策略
结合代谢组学（UPLC-Q-TOF-MS/MS和HPLC-DAD）、转录组学（Illumina测序）与体外功能验证，筛选并验证关键生物合成酶基因，并在大肠杆菌中异源重构hispidulin和homoplantaginin生物合成途径。
核心内容
该研究系统解析了荔枝草不同器官和生长发育阶段中活性成分的化学谱及其动态积累规律，并阐明了主要黄酮成分hispidulin和homoplantaginin的生物合成机制。研究结合UPLC-Q-TOF-MS/MS、HPLC-DAD和Illumina转录组测序，对叶片、茎、花和根在不同发育时期的代谢物进行鉴定，共检出70个代谢物，其中46个为黄酮、16个为酚酸，21个为荔枝草中首次报道。结果显示黄酮含量在茎伸长期达到峰值，叶片中含量最高达18.21 mg/g，而主成分hispidulin在基生叶期和花中含量分别达6.55和6.07 mg/g。通过转录组组装获得58,905个unigenes，并筛选出参与hispidulin和homoplantaginin途径的关键酶基因，包括SpFNS、SpF6H1、SpF6OMT和SpUGT等，经体外功能验证后在大肠杆菌中重构完整合成途径，最终实现hispidulin产量5.33 mg/L和homoplantaginin产量3.86 mg/L的异源生产。该研究首次全面揭示了荔枝草化学谱的时空特征，并打通了其活性黄酮从基因鉴定到微生物合成生产的路径，为这些化合物的规模化制备和药用开发提供了关键技术基础。
创新点
['首次系统解析S. plebeia不同发育阶段不同器官的化学谱，鉴定出70个代谢物，其中21个为首次报道。', '首次构建S. plebeia不同组织/发育阶段的转录组数据集，获得58,905个unigenes。', '鉴定出hispidulin和homoplantaginin完整生物合成途径的关键酶基因，包括SpFNS、SpF6H1、SpF6OMT、SpUGT等。', '在大肠杆菌中成功重构该途径，实现hispidulin和homoplantaginin的异源生产。']
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpPAL | PAL（苯丙氨酸解氨酶） | 催化 | 催化苯丙氨酸脱氨生成肉桂酸 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpC4H | C4H（肉桂酸4-羟化酶） | 催化 | 催化肉桂酸生成4-香豆酸，需AtCPR提供电子 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | Sp4CL2 | 4CL（4-香豆酸-CoA连接酶） | 催化 | 催化4-香豆酸生成4-香豆酰-CoA |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | Sp4CL5 | 4CL（4-香豆酸-CoA连接酶） | 催化 | 催化4-香豆酸生成4-香豆酰-CoA |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpCHS1 | CHS（查尔酮合酶） | 催化 | 催化4-香豆酰-CoA与丙二酰-CoA生成柚皮素查尔酮 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpCHI | CHI（查尔酮异构酶） | 催化 | 催化柚皮素查尔酮异构化为柚皮素 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpFNS | FNS（黄酮合酶II） | 催化 | 催化柚皮素生成芹菜素，属CYP93B家族，需AtCPR提供电子 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpF6H1 | F6H（黄酮6-羟化酶） | 催化 | 催化芹菜素生成野黄芩素（scutellarein），属CYP82D家族，需AtCPR提供电子 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpF6OMT1 | F6OMT（黄酮6-O-甲基转移酶） | 催化 | 催化野黄芩素生成hispidulin |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpF6OMT2 | F6OMT（黄酮6-O-甲基转移酶） | 催化 | 催化野黄芩素生成hispidulin |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpUGT1 | UGT（UDP-糖基转移酶） | 催化 | 催化hispidulin生成homoplantaginin，经UGT命名委员会命名为UGT88A47 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpUGT2 | UGT（UDP-糖基转移酶） | 催化 | 催化hispidulin生成homoplantaginin，经UGT命名委员会命名为UGT88T1 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | SpUGT3 | UGT（UDP-糖基转移酶） | 催化 | 催化hispidulin生成homoplantaginin，经UGT命名委员会命名为UGT71AP4 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮生物合成 | AtCPR | CPR（细胞色素P450还原酶） | 能量供给 | 来自拟南芥，为SpC4H、SpFNS、SpF6H1等P450酶提供电子 |
关键发现
- 共鉴定70个代谢物，包括46个黄酮、16个酚酸、7个萜类和1个有机酸，其中21个为S. plebeia中首次发现。黄酮含量在茎伸长期达到峰值：叶（L2）为18.21 ±
- 33 mg/g，茎（S2）为8.97 ±
- 25 mg/g，花（F3）为16.73 ±
- 16 mg/g，根（R4）为0.94 ±
- 08 mg/g。hispidulin最高含量出现在基生叶期（L1）为6.55 ±
- 44 mg/g，花中为6.07 ±
- 43 mg/g；homoplantaginin在叶片中从3.63 ±
- 59 mg/g升至6.38 ±
- 68 mg/g，花中为5.73 ±
- 59 mg/g。转录组测序获得161.44 Gb clean data，组装得到58,905个unigenes，平均长度1161.286 nt，N50为1754 nt。在大肠杆菌中重构途径后，hispidulin和homoplantaginin的产量分别达到5.33 mg/L和3.86 mg/L。
研究结论
研究系统揭示了S. plebeia不同器官和发育阶段化学成分的动态分布，鉴定出hispidulin和homoplantaginin生物合成途径的关键酶基因，并成功在异源宿主大肠杆菌中重构生产，为其活性成分的开发利用和合成生物学生产奠定了基础。