龙牙楤木（Aralia elata）为五加科楤木属多年生大灌木，是主产于我国东北部地区重要的食药同源植物，亦被誉为“山野菜之王”，具有抗癌、抗炎、抗氧化及治疗心脑血管疾病的功效，三萜皂苷是其主要活性成分。虽然楤木属与“百草之王”人参属的亲缘关系较近（同属Aralia-Panax亚类群），但这二者间三萜皂苷的结构类型与丰度均存在显著差异。人参为人参属植物，可合成大量的达玛烷型四环三萜皂苷，仅积累少量的齐墩果烷型五环三萜皂苷，而这与楤木属的特征恰恰相反，龙牙楤木中不合成达玛烷型四环三萜皂苷，却积累大量的齐墩果烷型五环三萜皂苷，种类多达100余种，而人参中仅发现5种此类皂苷。
本研究为解析五加科近缘植物间三萜皂苷类化合物积累的特征差异及分子机制，首先采用PacBio三代测序技术及Hi-C技术构建高质量的龙牙楤木基因组图谱，然后通过比较基因组及转基因功能互补分析，首次阐明了龙牙楤木基因组中负责催化玛烷型皂苷的关键酶基因DDS（达玛烯二醇合酶）存在外显子缺失，导致龙牙楤木无法合成达玛烷型皂苷。进一步的分子进化与基因组结构分析表明，楤木属在与人参属植物分化后，其基因组中三萜皂苷修饰酶基因发生了大量的串联重复。而后，结合转录组、代谢组和生理生化试验，鉴定了多个催化龙牙楤木三萜皂苷合成的关键酶，系统解析了齐墩果烷型楤木皂苷的生物合成途径。最后，通过合成生物学手段，利用酿酒酵母做为底盘细胞，从头合成了多达13种不同结构的楤木皂苷。这项研究揭示了五加科植物三萜皂苷类化合物结构多样性形成的进化机制，也为理解串联重复基因在植物次生代谢进化中的作用提供了重要的启示。此外，对龙牙楤木药用成分的“绿色生物制造”也具有重大指导意义。
五加科药用植物系统进化与三萜皂苷类化合物多样性形成机制
我校生命科学学院青年教师王宇副教授和2018级博士研究生张贺、朝鲜籍留学生Hyok Chol Ri（李赫哲）、2020级博士研究生安泽宇为论文的共同第一作者。生命科学学院李玉花教授、林学院沈海龙教授、张鹏教授及福建农林大学刘仲健教授为论文的共同通讯作者。研究过程中得到了我校生命科学学院“5211”引进人才薛哲勇教授、徐志超教授及台湾成功大学蔡文杰教授的指导和帮助，也得到我校分析测试中心的大力支持。
李玉花教授团队在五加科药用植物人参、西洋参、龙牙楤木等规模化生物反应器组培繁殖体系的建立，多种糖苷酶组合结合固定化酶膜技术高效生物转化稀有人参皂苷等产业化研究领域深耕10余年，获得多项技术发明专利。近几年团队进一步拓展研究领域，包括五加科植物天然活性成分三萜皂苷的生物合成途径解析、关键合成酶的挖掘及其生物合成等基础研究领域，获得了重要进展和突破。团队近五年在Nature Communications、Molecular Plant、Nucleic Acids Research、Plant Biotechnology Journal、Journal of Agricultural and Food Chemistry等高水平SCI期刊发表一系列论文。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29908-y
