科學家實現大豆素等異黃酮植保素的綠色生物全合成

近日，南方科技大學生命科學學院生物系副教授黃安誠團隊在《自然—化學生物學》上發表最新研究成果。研究人員通過重塑本氏煙草代謝流，構建了高產異黃酮植物合成生物學底盤，實現關鍵異黃酮染料木素和大豆苷元在干葉片中產量分別達到了11.8 g/kg和7.0 g/kg。

 研究人員進一步結合多組學技術解析作物大豆中6種抗菌植保素，實現大豆素及多類重要活性異黃酮在本氏煙草中的高效全生物合成，其中大豆素I和大豆素II在干葉片產量分別達到2.6g/kg和5.9g/kg。

植保素是植物應對環境壓力進化出的化學防御機制，通常多在病蟲害侵襲時合成，豆科植物能夠特異合成異黃酮類化合物作為植保素。其中，大豆素是大豆中特有的異黃酮植保素，具有結構復雜且抗菌活性強的特性，不僅能幫助大豆抗病，還具有抗癌和抗菌等藥物開發潛力。然而，大豆素在大豆中含量極低，通過化學合成和植物提取分離難以實現量產。合成生物學為實現綠色生物智造量產提供了可能性。

該研究中，研究人員在本氏煙草中重構了大豆素上游前體——大豆苷元的生物合成通路，進一步采用多種策略組合調控代謝流，成功實現了在僅過表達通路基因的基礎上，將異黃酮產量提升了3到5倍。這一成果為后續的大豆素合成通路解析提供了充足的代謝前體。

進一步地，研究人員利用共表達分析技術，從大豆轉錄組數據中篩選出候選基因進行功能驗證，最終鑒定出6種細胞色素P450單加氧酶能夠催化大豆素E環的形成，從而成功合成多種大豆素，并進一步構建大豆毛狀根體系。研究團隊利用CRISPR/Cas9技術獲得敲除不同大豆素合酶的大豆毛狀根突變體，發現突變體在病原疫霉菌侵擾后，大豆素無法合成或合成量顯著降低，研究首次明確了這些大豆素合酶在植物中的作用。

研究人員構建的高產異黃酮本氏煙草底盤，可用于多種類型活性異黃酮的綠色從頭合成，包括大豆素和美迪紫檀素等。研究人員進一步測試了上述活性異黃酮的抑菌活性，發現13-表-大豆素III 和美迪紫檀素對致病大豆疫霉菌和煙草疫霉菌具有強抑菌活性，而大豆素III的抑菌活性則較弱，揭示了抗菌活性與化合物的構效關系，尤其是C13位立體構型對抑菌活性的重要影響，為開發新型植物源生物農藥提供了候選化合物及綠色生物合成技術。

該研究深化了對大豆防御機制的認知，為高抗病和功能性大豆品系的培育提供了基因元件和分子靶標。大豆素及其他異黃酮植保素的高效合成底盤及其技術的發展，將拓寬活性植物異黃酮的來源，及其在醫藥和健康領域的應用范圍，展現出廣闊的應用潛力。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41589-025-01914-3