丹参始载于《神农本草经》，为丹参（Savia miltiorrhiza）的干燥根及根茎，药用历史悠久，具有祛癖止痛、活血通经、凉血消痈的功效，目前国内销售前十的中成药中有七种以丹参作为主要原料。丹参的主要活性成分包括脂溶性的丹参酮类化合物和水溶性的酚酸类化合物。丹参酮类化合物具有保护心血管及抗肿瘤等活性，另一方面作为典型的二萜类化合物，其生物合成需经历多步氧化过程，具有大多数二萜类化合物形成过程的复杂氧化修饰特征，对其他二萜类中药活性成分的形成及调控研究具有指导意义，因此一直是中国中医科学院中药资源中心的研究重点。

为了明确丹参酮类化合物在丹参中的形成过程及机制，课题组利用分子生物学技术结合合成生物学方法对丹参酮的生物合成进行了系统解析，相继获得了丹参酮生物合成途径的多个关键催化酶，相关研究成果发表在PNAS、JACS、New Phytologist等国际知名学术期刊（图1），并获得了中国药学会科学技术奖一等奖，为丹参的品质提升和定向培育提供指导。最近在前期工作的基础上，丹参酮生物合成途径解析又取得了突破进展，解析了丹参酮特征呋喃环的形成过程，研究成果以“Expansion within the CYP71D subfamily drives the heterocyclization of tanshinones synthesis in Salvia miltiorrhiza”为题发表在Nature Communications上（DOI：10.1038/s41467-021-20959-1）（图2）。

图1 丹参酮生物合成途径解析

图2 CYP71Ds催化丹参酮五元呋喃环形成

由于缺乏常规的选育策略以及异花授粉的特性，许多药用植物的基因组杂合度非常高，难以进行深入的基因组分析。中国中医科学院中药资源中心与中国科学院植物研究所合作构建了自交6代纯合的丹参株系，并对其进行了基因组测序，获得了较好的基因组序列信息。通过深入分析基因组信息，发现形成丹参酮前体母核的二萜合酶/CYP450基因以gene cluster的方式特异存在于鼠尾草属植物中。在此基础上，利用基因扩张和收缩分析，发现一个在丹参中明显扩张的CYP71D亚家族，通过共表达分析，锁定4个候选基因，进行植物体内和体外功能研究。结果表明这些基因中有3个在丹参酮生物合成途径中发挥重要作用，其中两个能够催化丹参酮特征五元呋喃环的生成，一个与丹参酮类化合物C20位脱甲基化过程相关。与唇形目植物的共线性分析展示了CYP71D家族如何特异在鼠尾草属植物中通过基因复制和蛋白质功能进化从而获得催化杂环形成的新功能（图3）。这些研究结果为丹参酮类以及唇形科广泛分布的松香烷型二萜类化合物的生物合成的起源和进化提供了研究思路。

图3 丹参酮生物合成途径基因共线性分析

中国中医科学院中药资源中心马莹博士、崔光红研究员、陈同博士为本文的共同第一作者，中国中医科学院黄璐琦院士、中国科学院植物研究所漆小泉研究员、中药资源中心崔光红研究员和郭娟研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划合成生物学重点专项（2020YFA0908000, 2018YFA0900600）、国家自然科学基金（81822046, 81891010）、中央本级重大增减支项目：名贵中药资源可持续利用能力建设（2060302）以及中国中医科学院优秀青年科技人才培养专项等资助。

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