在国家自然科学基金（批准号：31370339、31270341）等项目的资助下，上海大学章焰生教授团队分离了药用植物“苍耳”叶片表面的腺体细胞、构建了腺体细胞转录组文库、成功解析了其中活性成分苍耳素的整条生物合成通路，研究成果以“An independent biosynthetic route to frame a xanthanolide-type sesquiterpene lactone in Asteraceae”为题于2024年12月在线发表于《The Plant Journal》杂志（论文链接http://doi.org/10.1111/tpj.17199）。

苍耳在中国应用历史悠久，曾以苓耳或卷耳为名出现于先秦时期所著的古书《尔雅》与《诗经》，后载于《神农本草经》。中医上苍耳主要用于治疗鼻渊、风湿痹痛与疥癣麻风等。苍耳素为苍耳烷型倍半萜内酯类化合物，系苍耳植物主要功效成分，通过抑制人体肿瘤细胞微管蛋白的聚合，对肺癌与乳腺癌等癌细胞具有较强的抑制功效。农业上，苍耳素对于灰霉病等植物真菌具有很强的杀菌活性，有望开发成植物源农药。

图1. 苍耳植物照片（图片来源于https://pic.rmb.bdstatic.com/bjh）。

然而，由于苍耳素结构复杂且在植物体内的含量极低，传统的植物提取或化学合成成本较高，极大地限制了其作为抗癌新药或新型农药的研发，利用合成生物学技术合成苍耳素是解决上述瓶颈的理想途径。自上个世纪中期，苍耳素的分子结构被解析以来，关于自然界中苍耳烷型骨架如何形成的认知一直成谜。

为攻克上述科学难题，自2012年以来，章焰生教授领导的实验室以苍耳植物为研究材料开展了相关研究。首先，该团队广泛收集了中国由北至南地区的苍耳植物资源，发现中国地区存在三种不同化学生态型的苍耳植物种质(Chen et al., PloS One, 2013, 8(10):e76621)，且发现苍耳素主要合成于苍耳植物嫩叶表面的腺体细胞(Li et al., Molecules, 2014,19(9):12898-12908)；该团队利用玻璃珠切割技术从苍耳植物嫩叶表面分离了腺体细胞，发现苍耳植物腺体结构较为特殊、具有6对细胞(注：同为菊科的青蒿植物球状腺体被报道为5对细胞)；以分离纯化的腺体细胞为出发材料，该团队建立了苍耳植物腺体细胞的转录组学文库(Li et al., Frontiers in Plant Sciences, 2016,7:1317),并发现苍耳素分子的合成源自一种名为吉玛烯A的萜烯成分(Li et al., Plant Cell and Physiology, 2016, 57(3):630-41)。

图2. 该团队分离纯化的苍耳植物腺体。(a) 腺体在苍耳植物叶片表面分布的电镜照片(其中红色箭头所指表示分布在苍耳植物叶片表面的球状腺体)；

(b) 该团队从苍耳植物嫩叶分离纯化的球状腺体。

最近，该团队又分离纯化了苍耳腺体细胞中主要的中间体代谢物，借助核磁共振技术解析了其结构，推测了苍耳素的生物合成通路；系统分析了苍耳腺体细胞转录组文库，筛选出了在腺体细胞中特异表达、且与苍耳素合成密切相关的P450酶基因；借助酵母细胞表达体系明确了候选P450酶的生化功能，首次解析了苍耳烷型骨架的形成机制。

图3. 苍耳植物球状腺体细胞中苍耳素整条合成通路的解析。

利用所分离的苍耳腺体细胞特异性表达P450酶编码基因，该团队在酵母细胞中实现了苍耳素的从头合成(Li et al., The Plant Journal, 2024, 论文链接为http://doi.org/10.1111/tpj.17199)。该团队李长福老师与本团队已毕业的李缘君博士为该成果的共同第一作者、上海大学生命科学学院的章焰生教授以及上海大学环境与化学工程学院吴钇翰博士为通讯作者。

图4. 苍耳素在酵母细胞中的从头合成。

上述科研成果的公开发表使得利用合成生物学技术人工合成苍耳素已成为可能，进而将促进苍耳烷型倍半萜内酯类化合物在临床医药以及农药上的开发与应用。

文章引用：

Li, C., Li, Y., Wang, J., Lu, F., Zheng, Li., Yang, L., Sun, W., Ro, D., Qu, X., Wu, Y., and Zhang Y. (2024). An independent biosynthetic route to frame a xanthanolide-type sesquiterpene lactone in Asteraceae. The Plant Journal. http://doi.org/10.1111/tpj.17199.