很多人都听过“益母草”的名字。益母草（Leonurus japonicus Houtt.），是唇形科益母草属的传统药材，顾名思义，它在传统上常当作妇科用药，在亚洲和欧洲多地有着超过两千年的药用历史。益母草碱是益母草的主要药效成分，也是益母草属特有的天然产物。值得一提的是，有特殊气味的萜类化合物常常是唇形科药用植物的主要活性物质，而在益母草属中，活性物质却以益母草碱为代表的生物碱为主。近年来的研究表明，益母草碱在治疗脑中风和降低血脂方面疗效显著，目前已有临床实验正在进行。
然而，尽管市场对益母草碱的需求持续增加，其生物合成途径在本研究之前却依然是个谜。益母草碱是怎样在益母草中合成的呢？
https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.11.003
2023年11月10日， Molecular Plant 在线发表了上海辰山植物园徐萍课题组题为“Multi-Omics Analyses of Two Leonurus Species Illuminate Leonurine Biosynthesis and Its Evolution”的研究论文。该研究首次报道了两个益母草属植物的基因组，并运用多组学技术深入研究了益母草属特有活性物质益母草碱的生物合成机制，揭示了这一天然产物在唇形目植物中的演化历程。
活性物质在植物体中的合成，必然有一个“植物工厂”。为了研究益母草碱的生物合成途径，研究团队对两种益母草属植物进行了基因组测序，分别是益母草（L. japonicus）和细叶益母草（L. sibiricus）。这两种植物亲缘关系密切、形态相似，但一个能产生大量益母草碱，另一个却几乎不含益母草碱（图1）。这一对物种成为了益母草碱合成极好的研究对象。
图1. 两种益母草表型、基因组和益母草碱含量比较
通过对这一对物种的比较基因组学、转录组学和代谢组学的关联分析，研究团队揭示了益母草碱合成路径，并确定了关键的候选基因，筛选和鉴定了合成途径中的几个关键酶，包括精氨酸脱羧酶（ADC）、UDP-葡萄糖基转移酶（UGT）以及丝氨酸羧肽酶样（SCPL）酰基转移酶。
实验证实，生物体内常见的精氨酸，经过几个步骤，最终成为了可作为药物的益母草碱：精氨酸首先经过ADC的催化生成胍丁胺，而后经过胺氧化、醛还原等步骤生成胍丁醇。同时，丁香酸经UGT的活化形成丁香酰葡萄糖（SA-Glc）。胍丁醇和丁香酰葡萄糖在SCPL的催化下，共同合成益母草碱（图2A）。本研究还定位了益母草碱在细胞中合成的关键位置：对这三个关键酶进行的亚细胞定位分析显示，益母草碱的前体物质可能在细胞质中合成，而最后的合成步骤则发生在液泡中。
图2. 益母草碱生物合成途径及基因簇共线性分析示意图
那么，生产益母草碱这样一种全新的植物产品的“植物工厂”，是怎样在益母草中出现的呢？本研究结果同时揭示了这一谜题：在益母草碱的生物合成途径中存在一个由UGT和SCPL基因组成的基因簇，该基因簇在唇形目植物芝麻、丹参、黄芩和益母草中均存在。UGT和SCPL的基因扩增以及SCPL的新功能化共同决定了益母草碱在益母草中的特异合成和积累（图2B），换句话说，这些基因簇，在益母草中发挥了新的作用，就像一座老旧的“绿色工厂”通过转产新的产品，发挥了新的功能。在这一发现为益母草碱的产生及其进化轨迹提供了重要的见解。
该研究利用多组学和多系统生化实验，成功从头构建了益母草碱的生物合成途径，揭示了益母草碱在植物体中的合成之谜。这一研究成果也为益母草碱的绿色、高效生物合成奠定了坚实的基础，有望在未来推动益母草和益母草碱的开发和利用，使得这一天然代谢产物能为人类健康更好地服务。
辰山植物园科研助理李鹏、颜梦晓、刘盼和已毕业研究生杨丹杰为本文共同第一作者，生物碱代谢研究组组长徐萍为通讯作者。该工作得到了赵清博士、陈晓亚院士和胡永红园长的指导和大力支持。感谢中国科学技术大学向成斌教授和福建农林大学熊延教授的帮助。研究得到国家自然科学基金、上海市绿化和市容管理局辰山专项基金、上海市中央引导地方科技发展资金以及国家重要野生植物种质资源库辰山中心的资助。
通讯作者简介：
徐萍, 2002-2012年本科和博士毕业于中国科学技术大学生物化学与分子生物学专业，现任上海辰山植物园/中科院分子植物卓越中心辰山中心生物碱代谢研究组课题组长。研究方向为药用植物天然产物，聚焦植物生物碱类物质。代表成果发表在PNAS, Nature Communications, Plant Cell, Plant Communications, New Phytologist, The Plant Journal, Journal of Experimental Botany等杂志上。
课题组招聘博士后和联合培养研究生，有意者请联系 xuping01@sibs.ac.cn.
鉴于该研究的重要意义和潜在的应用价值，中国科学院昆明植物研究所研究员，国家杰出青年基金及2023年度第四届吴征镒植物学奖青年创新奖获得者，黄胜雄教授对该工作进行了点评。
黄胜雄 专家点评
近期，上海辰山植物园徐萍课题组在植物学领域取得了一项引人瞩目的科研突破，他们深入研究了益母草及其特有活性成分益母草碱的生物合成途径，为这一传统药用植物的深度开发提供了珍贵的科学支持。益母草，作为唇形科植物，长期以来一直在中药领域发挥着重要作用，特别是在妇科用药等方面具有卓越的功效，全国每年益母草相关的药品的年销售额超过10亿元人民币。然而，益母草碱的生物合成途径一直以来是一个待解谜的科学问题。
为深入解析益母草碱的合成机理，研究团队首先通过高质量基因组测序获得了益母草和细叶益母草的染色体水平基因组。通过比较两者的基因组，研究人员发现了一个UGT和SCPL基因组成的基因簇在益母草碱的生物合成途径中扮演着至关重要的角色。通过基因组大数据的分析发现这一基因簇在唇形目植物中广泛存在，然而仅有益母草在其演化过程中发展出了合成益母草碱的能力。为了解释为何唇形科植物中只有益母草拥有益母草碱的特异性积累，研究人员对比分析了唇形目基因组。他们揭示了UGT和SCPL的基因扩增以及SCPL基因的新功能化是益母草在演化中获得合成益母草碱能力的关键因素。这一发现为唇形目植物中其他植物特有活性成分的演化机制提供了范例。
该研究通过将现代基因组学与生物合成途径的深度挖掘相结合，为今后的天然产物研究提供了有益的经验和参考。这一突破性的研究不仅对益母草碱的合成生物学生产具有积极的现实意义，也对药物植物中次生代谢物的进化起源研究提供了参考。
