当前位置：首页>东莞>PBJ | 广州中医药大学詹若挺/马东明课题组改造黄酮芸香糖苷生物合成途径, 在番茄和烟草中高效合成药物地奥司明

PBJ | 广州中医药大学詹若挺/马东明课题组改造黄酮芸香糖苷生物合成途径, 在番茄和烟草中高效合成药物地奥司明

2026-02-04 11:02:52

2025年11月13日，广州中医药大学岭南中药资源教育部重点实验室詹若挺研究员/马东明研究员团队在国际著名学术期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为“Engineering of the Flavone Rutinoside Biosynthetic Pathway Enables Production of Diosmin, a Venoactive Compound in Solanum lycopersicum and Nicotiana tabacum”的研究论文。该研究工作通过系统解析野菊花（Chrysanthemum indicum）中黄酮芸香糖苷类化合物的生物合成机制，成功挖掘并鉴定关键功能酶基因，利用同尾酶介导的多基因堆叠策略构建高效表达载体，在番茄（Solanum lycopersicum cv. ‘MicroTom’）和烟草（Nicotiana tabacum）中实现了药用活性成分地奥司明（Diosmin）的异源合成，同时产出蒙花苷（Linarin）和异野漆树苷（Isorhoifolin）等重要黄酮类化合物。这一突破性成果不仅完善了黄酮芸香糖苷类化合物的生物合成通路，更为天然药用成分的绿色生物制造提供了全新技术路径，对推动植物代谢工程与医药产业的融合发展具有重要意义。

黄酮类化合物具有显著药用价值，地奥司明作为经典血管活性黄酮，广泛用于静脉疾病治疗，传统依赖化学半合成，存在污染大、效率低等弊端（Gerges et al., 2022）。番茄和烟草因遗传背景清晰、规模化种植便捷，是理想的代谢工程底盘，但天然缺乏黄酮芦丁类化合物合成的关键修饰酶（Bovy et al., 2007; Franzmayr et al., 2012）。野菊花富含此类化合物，研究团队此前已从中鉴定出黄酮合酶II（CiFNSII）和鼠李糖基转移酶（CiRhaT）（Jiang et al., 2019; Wu et al., 2022），但甲基化和糖基化关键酶基因尚未明确，成为通路解析的核心瓶颈。

基于上述研究背景，广州中医药大学詹若挺/马东明团队聚焦野菊花黄酮芸香糖苷类化合物生物合成通路的关键酶基因挖掘与功能验证，通过代谢工程技术重构完整合成通路，在番茄和烟草中实现地奥司明等药用化合物的异源合成，为解决传统化学合成的弊端、推动药用黄酮的绿色生产提供了创新方案。

全文主要研究结果如下：

1. 关键酶基因挖掘与功能验证

研究团队通过野菊花转录组与代谢组联合分析，筛选鉴定出1个黄酮O-甲基转移酶（CiFOMT）和2个葡萄糖基转移酶（CiGlcT1、CiGlcT2）。系统发育分析显示，CiFOMT与已知黄酮4'-O-甲基转移酶聚类（Akashi et al., 2003; Kim et al., 2005）（图1A），CiGlcT1、CiGlcT2分属不同功能聚类，推测具有特定糖基化活性（Achnine et al., 2005; Cui et al., 2016）（图1B）。

图1 O-甲基转移酶与糖基转移酶基因的系统发育分析

体外酶活验证证实：CiFOMT可高效催化芹菜素、木犀草素4'位甲基化，生成蒙花苷和地奥司明的关键前体（图2A、B），对木犀草素的催化效率（kcat/Km=310 M-¹S-¹）显著高于芹菜素（146 M-¹S-¹）；CiGlcT1和CiGlcT2具有明确区域选择性（图C-F），其中CiGlcT2催化地奥司明的效率（2952M-¹S-¹）更优。

图2 野菊花O-甲基转移酶（CiFOMT）、野菊花糖基转移酶1（CiGlcT1）与野菊花糖基转移酶2（CiGlcT2）的体外酶活性功能验证

亚细胞定位显示三者均定位于细胞质（图3A），与黄酮合成酶经典定位一致，进一步证实了这些酶在黄酮芦丁类化合物合成通路中的功能相关性（Jiang et al., 2019; Wu et al., 2022）。RT-qPCR检测结果显示，

CiFOMT和CiGlcT2在野菊花的花和花蕾中表达量显著高于根组织，而CiGlcT1在花和花蕾中的表达量较低（图3B），这与代谢产物的分布模式高度吻合，表明CiFOMT和CiGlcT2可能是黄酮芦丁类化合物合成的核心功能酶。

图3 （A）野菊花O-甲基转移酶（CiFOMT）、野菊花糖基转移酶1（CiGlcT1）与野菊花糖基转移酶2（CiGlcT2）的亚细胞定位

2. 生物合成通路重构：多基因堆叠载体构建与植物转化

基于功能验证结果，研究团队确定完整生物合成通路：CiFNSII将黄烷酮转化为黄酮，CiFOMT催化甲基化，CiGlcT2负责糖基化，CiRhaT完成最终鼠李糖基化。采用同尾酶介导的多基因堆叠策略（Zhang et al., 2011），构建四基因串联表达载体p1300-FOGR，将CiFNSII、CiFOMT、CiGlcT2和CiRhaT有序插入pCAMBIA1300载体，通过农杆菌介导转化微型番茄和烟草，获得多个阳性转基因株系，RT-PCR证实目标基因稳定表达（图4A、B），表明多基因堆叠载体成功实现了功能基因的同步表达。

图4 转基因番茄和烟草中野菊花黄烷酮合酶II（CiFNSII）、野菊花O-甲基转移酶（CiFOMT）、野菊花糖基转移酶2（CiGlcT2）及野菊花鼠李糖基转移酶（CiRhaT）的基因表达验证。

3. 异源合成产物检测：番茄与烟草中成功生产药用黄酮

为验证转基因植株中黄酮芸香糖苷类化合物的合成情况，研究团队采用HPLC-MS/MS技术对转基因番茄的果皮和烟草的叶片进行代谢产物分析。结果显示，野生型番茄、转p1300-F、p1300-FO和p1300-FOG载体的番茄植株中均未检测到地奥司明，而转p1300-FOGR载体的番茄果皮中成功检测到地奥司明的积累，含量范围为3.6 ng/g干重至474 ng/g干重（图5B）。通过与地奥司明标准品的保留时间、分子量及二级质谱碎片比对，证实了异源合成产物的准确性（图5B）。

在转基因烟草中，代谢产物分析结果显示，转p1300-FOGR载体的植株叶片中不仅检测到地奥司明（含量范围为4.4 ng/g干重至20.5 ng/g干重），还检测到蒙花苷和异野漆树苷（图5C）。其中，蒙花苷的含量最高达299.5 ng/g干重，是烟草中主要的异源合成产物；异野漆树苷的含量较低，仅在p1300-FOGR-5株系中检测到，约为2.8 ng/g干重（图5C）。这一结果表明，完整的生物合成通路在烟草中不仅能高效合成地奥司明，还能产生蒙花苷和异野漆树苷，实现了多种药用黄酮类化合物的同步生产。

图5（A）本研究中所用质粒及基于PCR的载体构建与验证。p1300为植物表达载体pCAMBIA1300；p1300-F、p1300-FO、p1300-FOG、

p1300-FOGR由“35S启动子-目标基因-NOS终止子”（35S:Genes-NOS）片段插入p1300载体构建而成；LB（左边界）和RB（右边界）表示T-DNA（转移DNA）的边界序列。右侧：4种重组植物双元表达载体的PCR验证结果。（B）番茄果皮中地奥司明（diosmin）的积累情况。左侧：转基因番茄果皮中地奥司明的提取离子色谱图；右侧：地奥司明化学标准品与转基因植株提取物的质谱图（含二级质谱MS2）；2.74分钟处的色谱峰对应芦丁（rutin）。（C）烟草叶片中黄酮类芸香糖苷（地奥司明、异野漆树苷、蒙花苷）的积累情况。从左至右：转基因烟草叶片中异野漆树苷、蒙花苷、地奥司明的提取离子色谱图。

值得注意的是，转基因番茄和烟草中内源黄酮类化合物（如柚皮素、圣草酚、芦丁等）的含量与野生型植株相比未发生显著变化，表明异源通路的导入并未干扰植物自身的代谢稳态，该代谢工程策略具有良好的兼容性和生物安全性。

4. 物种特异性代谢调控：解析产物差异的分子机制

研究团队进一步分析了番茄和烟草中转基因植株产物差异的原因，发现这与两种植物的内源代谢网络特性密切相关。在番茄中，圣草酚是黄酮类化合物合成的关键中间产物，可通过柚皮素经黄酮类3'-羟化酶（SlF3'H）和3',5'-羟化酶（SlF3'5'H）催化生成（Olsen et al., 2010; Wu et al., 2023）。此外，番茄中的多酚氧化酶SlPPOF具有类黄酮合酶活性，可将圣草酚转化为木犀草素（Wei et al., 2022）。在转p1300-FOGR载体的番茄植株中，CiFNSII可催化柚皮素生成芹菜素、圣草酚生成木犀草素，而SlF3'5'H可能进一步将芹菜素羟化生成木犀草素（Kaltenbach et al., 1999）。因此，番茄中存在两条生成木犀草素的代谢流：一条是柚皮素→圣草酚→木犀草素（由SlF3'H、SlF3'5'H、SlPPOF和CiFNSII共同催化）；另一条是柚皮素→芹菜素→木犀草素（由CiFNSII和SlF3'5'H催化）（图6）。这两条代谢流的汇聚使得番茄中木犀草素的供应充足，进而优先合成地奥司明，而蒙花苷和异野漆树苷的合成则受到抑制。

与番茄不同，烟草中缺乏黄酮类3',5'-羟化酶（Nakatsuka et al., 2007; Shimada et al., 1999），无法将芹菜素羟化生成木犀草素。尽管烟草中的NtF3'H可将柚皮素转化为圣草酚（Liu et al., 2021; Nakatsuka et al., 2007），并在CiFNSII的催化下生成木犀草素，但芹菜素仍能稳定存在并作为底物参与蒙花苷和异野漆树苷的合成（图6）。因此，转p1300-FOGR载体的烟草植株中同时积累地奥司明、蒙花苷和异野漆树苷三种黄酮芸香糖苷类化合物。这一发现揭示了植物内源代谢网络对异源通路产物分布的调控作用，为后续通过代谢工程优化产物产量和比例提供了重要依据。

图6 转基因番茄和烟草中的黄酮类生物合成途径分析。番茄和烟草中天然存在柚皮素（naringenin）和圣草酚（eriodictyol）

番茄和烟草作为具有良好规模化种植潜力的作物，其异源合成药用黄酮类化合物的成功，为“植物工厂”生产天然药物提供了可行路径。未来，通过进一步优化代谢工程策略，有望实现地奥司明等药用黄酮的高效、低成本生产，替代传统化学合成方法，推动医药产业的绿色转型。同时，本研究的技术思路和方法也可应用于其他高价值黄酮类化合物的异源合成，为植物代谢工程的产业化应用提供重要支撑。

广州中医药大学学生张千乐、吴清文为论文共同第一作者，广州中医药大学詹若挺研究员/马东明研究员为该研究工作共同通讯作者。研究工作得到了广东省自然科学基金（2024A1515010381）、广东省现代农业产业技术体系创新团队建设项目（南药产业技术体系）（2024CXTD24）、广东省乡村振兴战略（农业科技创新与推广体系建设）专项——广东省现代南药产业技术体系创新团队（2020KJ148、2019KZDZX2017）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70426

References:

l Gerges, S., S. Wahdan, D. Elsherbiny, and E. El-Demerdash. 2022. “Pharmacology of Diosmin, a Citrus Flavone Glycoside: An Updated Review.” European Journal of Drug Metabolism and Pharmacokinetics47: 1–18.

l Bovy, A., E. Schijlen, and R. D. Hall. 2007. “Metabolic Engineering of Flavonoids in Tomato (Solanum Lycopersicum): The Potential for Metabolomics.” Metabolomics: Official Journal of the Metabolomics Society3: 399–412.

l Franzmayr, B. K., S. Rasmussen, K. M. Fraser, and P. E. Jameson. 2012. “Expression and Functional Characterization of a White Clover Isoflavone Synthase in Tobacco.” Annals of Botany110: 1291–1301.

l Jiang, Y., X. Ji, L. Duan, et al. 2019. “Gene Mining and Identification of a Flavone Synthase II Involved in Flavones Biosynthesis by Transcriptomic Analysis and Targeted Flavonoid Profiling in Chrysanthemum indicum L.” Industrial Crops and Products134: 244–256.

l Wu, Q. W., M. Wei, L. F. Feng, et al. 2022. “Rhamnosyltransferases Involved in the Biosynthesis of Flavone Rutinosides in Chrysanthemum Species.” Plant Physiology190: 2122–2136.

l Akashi, T., Y. Sawada, N. Shimada, et al. 2003. “cDNA Cloning and Biochemical Characterization of S-Adenosyl-L-Methionine: 2,7,4'-Trihydroxyisoflavanone 4'-O-Methyltransferase, A Critical Enzyme of the Legume Isoflavonoid Phytoalexin Pathway.” Plant & Cell Physiology44, no. 2: 103–112.

l Kim, D. H., B. G. Kim, Y. Lee, et al. 2005. “Regiospecific Methylation of Naringenin to Ponciretin by Soybean O-Methyltransferase Expressed in Escherichia coli.” Journal of Biotechnology119, no. 2: 155–162.

l Achnine, L., D. V. Huhman, M. A. Farag, L. W. Sumner, J. W. Blount, and R. A. Dixon. 2005. “Genomics-Based Selection and Functional Characterization of Triterpene Glycosyltransferases From the Model Legume Medicago truncatula.” Plant Journal41: 875–887.

l Zhang, Y., G. Nowak, D. W. Reed, and P. S. Covello. 2011. “The Production of Artemisinin Precursors in Tobacco.” Plant Biotechnology Journal9: 445–454.

l Wu, X., Z. Liu, Y. Liu, et al. 2023. “SlPHL1 Is Involved in Low Phosphate Stress Promoting Anthocyanin Biosynthesis by Directly Upregulation of Genes SlF3H, SlF3′H, and SlLDOX in Tomato.” Plant Physiology and Biochemistry200: 107801.

l Olsen, K. M., A. Hehn, H. Jugde, et al. 2010. “Identification and Characterisation of CYP75A31, a New Flavonoid 3′5′-Hydroxylase, Isolated From Solanum lycopersicum.” BMC Plant Biology10: 21.

l Wei, S., Y. Xiang, Y. Zhang, and R. Fu. 2022. “The Unexpected Flavone Synthase-Like Activity of Polyphenol Oxidase in Tomato.” Food Chemistry377: 131958.

l Kaltenbach, M., G. Schroder, E. Schmelzer, V. Lutz, and J. Schroder. 1999. “Flavonoid Hydroxylase From Catharanthus roseus: cDNA, Heterologous Expression, Enzyme Properties and Cell-Type Specific Expression in Plants.” Plant Journal19: 183–193.

l Nakatsuka, T., Y. Abe, Y. Kakizaki, S. Yamamura, and M. Nishihara. 2007. “Production of Red-Flowered Plants by Genetic Engineering of Multiple Flavonoid Biosynthetic Genes.” Plant Cell Reports26: 1951–1959.

l Shimada, Y., R. Nakano-Shimada, M. Ohbayashi, Y. Okinaka, S. Kiyokawa, and Y. Kikuchi. 1999. “Expression of Chimeric P450 Genes Encoding Flavonoid-3′, 5′-Hydroxylase in Transgenic Tobacco and Petunia Plants(1).” FEBS Letters461: 241–245.

l Liu, X., J. Duan, D. Huo, et al. 2021. “The Paeonia Qiui R2R3-MYB Transcription Factor PqMYB113 Positively Regulates Anthocyanin Accumulation in Arabidopsis thaliana and Tobacco.” Frontiers in Plant Science12: 810990.

本文来自网友投稿或网络内容，如有侵犯您的权益请联系我们删除，联系邮箱：wyl860211@qq.com 。

PBJ | 广州中医药大学詹若挺/马东明课题组改造黄酮芸香糖苷生物合成途径, 在番茄和烟草中高效合成药物地奥司明

最新文章

热门文章

随机文章

PBJ | 广州中医药大学詹若挺/马东明课题组 改造黄酮芸香糖苷生物合成途径, 在番茄和烟草中高效合成药物地奥司明

【喜报】东莞市江西万载商会“莞万”商城发布仪式圆满成功

广州公司注销这样办最省钱!详细流程+实操指南

最新文章

热门文章

随机文章

PBJ | 广州中医药大学詹若挺/马东明课题组改造黄酮芸香糖苷生物合成途径, 在番茄和烟草中高效合成药物地奥司明