唇形科黄芩属半枝莲（Scutellaria barbata D. Don）为多年生植物，半枝莲全草是中医常用药。《中华肿瘤治疗大成》、《中药大辞典》记载半枝莲有治疗肺癌、结肠癌、乳腺癌、肝癌的功效。因此，解析半枝莲抗癌物质的代谢途径，挖掘代谢关键基因，对于抗癌药的生物合成及开发具有重要的应用价值和市场前景。

　　半枝莲的抗癌功效归因于克罗烷型二萜类化合物，如Scutebarbatine O、Scutebarbatine J、Scutebarbatine I、Scutebarbatine H和Scutebarbatine G对HT29（结肠癌细胞系）、KB（口腔癌细胞系）、HONE-1（人鼻咽癌细胞细胞系）具有明显的抑制作用，Scutebarbatine A能够抑制小胶质细胞（BV2）和乳腺癌耐药细胞（MCF-7/ADR）（图1）。据统计，半枝莲有超过150种克罗烷型二萜类化合物，均含有克罗烷骨架（clerodane skeleton；图1，A），而黄芩属植物黄芩（Scutellaria baicalensis）仅有一种克罗烷型二萜类化合物（图1，O）。

　　2023年1月11日，国际学术期刊Molecular plant在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心Evangelos Tatsis团队与英国约翰英纳斯（JIC）Cathie Martin团队合作的题为The genomes of medicinal skullcaps reveal the polyphyletic origins of clerodane diterpene biosynthesis in the family Lamiaceae的研究论文。该研究工作揭示唇形科黄芩属和鼠尾草属克罗烷型二萜类化合物存在多起源途径，此外，该工作首次鉴定了半枝莲、黄芩和一串红的克罗烷型I型二萜合酶，并进一步通过实验证明叶绿体内的非特异性磷酸酶并不参与催化克罗烷型二萜类化合物的代谢途径（此前有科学家认为非特异性磷酸酶可能参与此代谢途径）。

　　牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP, Geranylgeranyl pyrophosphate）是大多数二萜的前体物质，通过MEP途径合成的GGPP（位于叶绿体）和MVA途径合成的GGPP（细胞质），然后被下游的二萜合酶（diTPS, diterpene synthase）催化产生相应的二萜。二萜合酶包括具有DDXXD基序的I型二萜合酶和具有DXDD基序的II型二萜合酶。对于克罗烷型二萜类化合物代谢途径的解析，唇形目物种已报道ArTPS2、SdKPS、VacTPS5、TwTPS14等克罗烷II型二萜合酶，但克罗烷I型二萜合酶未被发现。

　　该研究团队通过对半枝莲植株进行转录组测序及基因组测序（图2），获得了染色体级别和高质量的基因组（mapping rate: 96.50% ; BUSCO: 98.50%），发现了一些可能参与二萜代谢的候选二萜合酶。通过本氏烟草的瞬时转化实验和体外的酶活实验，该团队分别鉴定到了黄芩属（半枝莲、黄芩）和鼠尾草属（一串红）中参与克罗烷型二萜途径的二萜合酶基因（图3）。

　　该研究团队进一步指出，克罗烷II型二萜合酶是从赤霉素（gibberellin）途径的ent-柯巴基焦磷酸合酶（ent-CPS）演化过来的，黄芩属和鼠尾草属中的克罗烷II型二萜合酶貌似是单起源（图4D）。然而物种进化树分析结果表明，鼠尾草属的Salvia officinalis (药用鼠尾草)分化时间早于同属的Salvia splendens（一串红），同线性分析结合生物化学实验表明，它们的同源基因分别具有ent-CPS和克罗烷II型二萜合酶的功能（图4A）。由此推测，一串红的克罗烷II型二萜合酶的功能很有可能是在鼠尾草属独立演化的，而并非由共同祖先遗传获得（图4B）。

　　黄芩属和鼠尾草属中的克罗烷I型二萜合酶具有不同的起源。黄芩属的克罗烷I型二萜合酶起源于miltiradiene合酶，位于同一分支；而鼠尾草属的情况则不同：独立演化具有特异性功能的SspdiTPS1.5，从赤霉素途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.1和SspdiTPS1.2）和铁锈醇途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.3）招募过来同时具有克罗烷I型二萜合酶的功能。综上，该团队揭示了黄芩属和鼠尾草属中克罗烷二萜类化合物存在多起源途径。

　　中科院分子植物科学卓越创新中心助理研究员李海修、博士生吴松和英国约翰英纳斯（JIC）博士生林若曦为论文的共同第一作者，分子植物卓越中心Evangelos Tatsis和JIC Cathie Martin为论文的共同通讯作者。该工作得到了爱荷华州立大学R. Peters教授、英国约翰英纳斯中心R. Hughes和M. Franceschetti博士、希腊研究与技术中心-应用生物科学研究所A. M. Makris教授、分子植物卓越中心陈晓亚院士、王勇研究员、李辰意博士的帮助；另外，该研究得到了中心代谢平台胡文利、徐晓燕和王姗姗的帮助。该研究获得了牛顿高级学者基金、中国科学院先导项目、英国生物技术和生物科学研究委员会、上海市科学技术委员会、中心引进人才项目、博士后国际交流项目基金的资助。

　　文章链接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00006-0

图1. 黄芩属植物中结构各异的克罗烷型二萜类化合物

图2. 半枝莲基因组组装草图

图3. 半枝莲、黄芩和一串红中克罗烷型二萜类化合物代谢途径二萜合酶的功能鉴定

图4. 唇形目II型二萜合酶的进化及同线性分析揭示唇形科克罗烷II型二萜合酶的进化关系

图5. I型二萜合酶的进化树分析