萜類化合物是天然產物中最大的類群，結構多樣、活性廣泛，具有重要的藥用和經濟價值。植物合成萜類化合物目的通常被認為是調節其自身生長發育（如植物激素赤黴素、脫落酸和獨腳金內酯）以及抵禦各種生物脅迫（如昆蟲拒食劑印楝素和除蟲菊酯）。倍半萜為萜類化合物中的一個重要家族，具有豐富的化學結構和生物功能雙重多樣性。其中，杜松烯類倍半萜由於其獨特的活性與功能受到廣泛關注，如抗瘧疾藥物青蒿素和植保素棉酚等。
紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum Spreng）在我國是一種外來入侵植物，具有強大的化學防禦系統，其防禦物質及生物合成機制尚屬未知。近期，中國科學院昆明植物研究所活性天然產物發現與生物合成團隊研究員黎勝紅研究組綜合運用植物化學、分子生物學、生物化學、合成生物學等技術，揭示紫莖澤蘭中杜松烯類倍半萜的體內外抗蟲防禦功能，解析其生物合成途徑的關鍵步驟，並構建杜松烯類天然產物的異源合成通路。
經各種誘導處理以及代謝分析，該研究發現，6個杜松烯類倍半萜是紫莖澤蘭的主要組成型和誘導型防禦物質，這些化合物均表現出顯著的昆蟲拒食活性。在此基礎上，研究人員對杜松烯類倍半萜的生物合成開展了研究，從紫莖澤蘭中克隆並功能鑑定了3個倍半萜合酶基因，包括一個新穎的倍半萜合酶EaTPS1，能夠催化其中2個關鍵中間體amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol的合成；在大腸桿菌中構建了這兩個化合物的從頭合成通路，從10 L搖瓶培養液中分離純化了550 mg的amorpha-4,7(11)-diene和35 mg的(–)-amorph-4-en-7-ol單體化合物，並通過1D和2D NMR等波譜技術確證其結構。基因表達模式和化合物積累的相關性分析，證實EaTPS1在紫莖澤蘭中參與杜松烯類倍半萜的生物合成，並發現機械損傷和MeJA處理降低EaTPS1基因的表達但能促進化合物的釋放。在菸草中瞬時表達EaTPS1基因，發現轉基因菸草也能合成amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol，同時抗蟲防禦功能也得到提高，進一步證實EaTPS1在植物體內的功能。該研究首次揭示紫莖澤蘭的化學防禦物質及其形成機制，並實現杜松烯類倍半萜的異源合成，有助於深入研究該類天然產物的生物活性和合成生物學、。
研究結果以Characterization of defensive cadinenes and a novel sesquiterpene synthase responsible for their biosynthesis from the invasive Eupatorium adenophorum為題，發表在New Phytologist上。昆明植物所副研究員劉燕和瀋陽農業大學教授駱世洪為並列第一作者，黎勝紅為通訊作者。研究得到國家傑出青年基金項目、雲南生物醫藥重大專項、雲南省創新團隊、中科院青年創新促進會和中科院「西部之光」專項基金等資助。
杜松烯類倍半萜生物合成途徑（左圖）以及EaTPS1基因表達模式和化合物積累（右圖）
工程大腸桿菌（左圖）和本氏菸草（右圖）異源合成amorpha-4,7(11)-diene 和 (–)-amorph-4-en-7-ol
[ 責編：戰釗 ]