在植物進化的特定時期，植物獲得了生產結構豐富且功能多樣的天然產物的能力，從而呈現出結構相似的天然產物集中于系統發育樹上近源物種的分布特征；但部分結構相似的天然產物卻零散地分布于系統發育樹上遠源物種中，如托品烷生物堿、類固醇和環烯醚萜等?，F在，科學家們主要是通過單個酶的獨立進化來闡明天然產物零散的分布特征。實際上，天然產物的生物合成涉及一系列酶的協同參與；然而，這一系列酶是如何演變的卻知之甚少?；驈椭萍昂罄m的新功能化作為植物天然產物結構多樣性的主要貢獻者，通過基因組分析來闡明天然產物生物合成基因的復制事件，結合利用蛋白結構分析來揭示酶新功能化產生的關鍵氨基酸，可揭示天然產物生物合成酶的進化起源和演變歷程。

　　托品烷生物堿（TAs）是一類由吡咯環和哌啶環駢合為托品烷基本骨架的生物堿，零散地分布于不同的科屬植物中，如茄科、古柯科和旋花科等。其中，來源于茄科植物的莨菪堿和來源于古柯科植物的可卡因作為使用歷史悠久的天然藥物，現今仍在臨床上廣泛使用。中國科學院昆明植物研究所植物化學與西部植物資源持續利用國家重點實驗室，黃勝雄研究員帶領的天然產物生物合成及藥用植物資源攻關團隊長期聚焦于托品烷生物堿的生物合成研究，取得了一系列重要突破，專題組解析了一系列莨菪堿和可卡因的生物合成酶，如參與托品烷骨架前體構建的聚酮合酶PYKS和PKS1/2（Nat Commun, 2019, 10, 4036; Nat Commun, 2022, 13, 4994）、負責莨菪堿酯化步驟的關鍵酶（New Phytol, 2020, 225, 1906）、催化莨菪醛生成莨菪堿的氧化還原酶HDH（ACS Catal, 2021, 11, 2912）、以及負責可卡因托品烷骨架形成的芽子酮合酶CYP81AN15和芽子酮甲基轉移酶MT4（J Am Chem Soc, 2022, 144, 22000），基本實現莨菪堿和可卡因完整合成途徑的解析。 

　　在此基礎上，黃勝雄專題組完成了產莨菪堿的三分三植物和產可卡因的古柯植物的高質量基因組的組裝和注釋，為研究托品烷生物堿生物合成酶的進化提供了可靠的遺傳信息。隨后，通過比較基因組和蛋白結構分析，闡明了莨菪堿和可卡因生物合成中5對具有相似功能的合成酶（PMT/SPMT, PYKS/PKS, CYP82M3/CYP81AN15, TRI/MecgoR和LS/CS）及古柯特有的芽子酮甲基轉移酶（MT4）的獨立進化（圖1）。其中，古柯科SPMT是由SPDS通過古六倍體復制事件演變而來，不同于茄科PMT由SPDS通過串聯復制事件演變而來（圖1B、圖1C）；茄科CYP82M3和古柯科CYP81AN15采用不同的策略來將相同的底物MPOA氧化環化為相同的產物芽子酮（圖1D），且CYP81AN15是由古老的串聯復制基因通過新功能而來；古柯植物中負責可卡因2-羧甲基基團合成的芽子酮甲基轉移酶MT4，是由水楊酸甲基轉移酶MT1經古柯特有的復制事件以及關鍵的E216和S153位點突變而來（圖1E）。因此，從基因組和結構生物學這兩個層面，對茄科和古柯科植物中TAs整條生物合成路徑化學趨同而基因獨立進化的揭示，為植物天然產物的進化研究提供了一個經典的案例；同時，這一整條生物合成途徑趨同進化的發現也提醒我們：在研究遠源物種中結構相似的天然產物生物合成時，完全基于酶同源性或關鍵保守位點來發現具有相似功能的生物合成酶需要謹慎。 

　　以上研究成果以Genomic and structural basis for evolution of tropane alkaloid biosynthesis為題，發表在美國科學院院刊PNAS上。黃勝雄專題組的王永江博士后、田恬博士研究生和余佳益碩士研究生為本論文的共同第一作者，黃建萍副研究員和黃勝雄研究員為通訊作者。以上研究工作得到了國家合成生物學重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、云南省“興滇英才支持計劃”等項目資助。 

　　文章鏈接

圖1A: 莨菪堿和可卡因相似的生物合成路徑；圖1B: 三分三和古柯的系統發育樹；圖1C: SPMT、PMT、PYKS和PKS的進化歷程；圖1D: 芽子酮合成酶不同的催化策略；圖1E: 芽子酮甲基轉移酶的催化機制及演化