近日，南方科技大學生命科學學院生物系副教授黃安誠課題組在Nature Chemical Biology上發表題為Glyceollin biosynthesis in a plant chassis engineered for isoflavone production的研究論文。通過重塑本氏煙草代謝流創制高產異黃酮植物合成生物學底盤，關鍵異黃酮染料木素（genistein）和大豆苷元（daidzein）在干葉片中產量分別達到11.8 g/kg 和7.0 g/kg，進一步結合多組學技術解析了作物大豆中6種抗菌植保素，即大豆素（glyceollins,包括新穎大豆素glyceollins VII）的完整生物合成途徑，并且實現了大豆素及多類重要活性異黃酮在本氏煙草中高效從頭全生物合成，其中大豆素I和大豆素II在干葉片產量分別達2.6g/kg和5.9g/kg。該研究發展了植物合成生物底盤并推動了活性異黃酮在植物底盤的生物智造。

圖1創制高產異黃酮植物底盤生物合成不同類型大豆素

植保素是植物進化出的響應和應對病蟲害等脅迫的化學防御武器，多在病蟲害侵害時誘導合成。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一類異黃酮植保素。大豆素結構復雜且抗菌活性強，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，化學合成和植物提取分離難以實現量產，通過合成生物學或能實現綠色生物智造，但其生物合成途徑復雜且催化最后一步酶促反應，即大豆素D環到E環的閉環反應的關鍵酶——大豆素合酶（Glyceollin Synthases, GSs），尚未被發現（如圖所示），限制了大豆素的生物合成、功能探究及規模化生產與應用。

圖2大豆素生物合成途徑研究現狀

在該研究中，研究人員在本氏煙草中重構了大豆素上游前體——大豆苷元（daidzein）的生物合成通路，并進一步采用多策略組合調控代謝流的方法，包括1）引入來自不同植物的高效酶；2）關鍵基因共表達；3）引入轉錄因子調控本氏煙草代謝流，定向改造苯丙烷和異黃酮生物合成途徑中的限速步驟，成功增強了代謝通量，最終將異黃酮產量在只過表達通路基因的基礎上提升3-5倍，為后續的大豆素合成通路解析提供了充足的代謝前體。

基于該異黃酮高產本氏煙草系統，研究人員利用共表達分析從大豆轉錄組數據中篩選出候選基因，并進行功能驗證，最終成功鑒定出6種細胞色素P450單加氧酶能夠催化大豆素E環的形成，合成多種大豆素。其中GmGS1a/1b（GmCYP71D8a/b）催化合成大豆素I（glyceollin I）；GmGS2a/2b（GmCYP82A4a/b）催化合成大豆素II（glyceollin II）；GmGS3（GmCYP82A2b）催化合成大豆素III（glyceollin III）；而GmGS3e/7（GmCYP82A2a）催化合成新穎結構大豆素VII （glyceollin VII），13-表-大豆素III（13-epi-glyceollin III）和glyceofuran。進一步構建大豆毛狀根體系，利用CRISPR/Cas9技術獲得敲除不同大豆素合酶GmGS的大豆毛狀根突變體，發現突變體在病原疫霉菌侵擾后無法合成相應的大豆素或合成量顯著降低，首次明確了這些大豆素合酶在植物中的功能。

該高產異黃酮本氏煙草底盤可用于不同類型活性異黃酮的綠色從頭合成，包括大豆素（glyceollin I、II、III、VII、13-epi-glyceollin III，葉片干重含量最高可達5.9g/kg）和美迪紫檀素（葉片干重含量0.7 g/kg）等。研究人員進一步測試了這些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（Phytophthora sojae）和煙草疫霉菌（Phytophthora. nicotianae）具有強抑菌活性，而大豆素III的抑菌活性則較弱，揭示抗菌活性與化合物的構效關系（特別是C13位立體構型對抑菌活性有重要影響），為新型植物源生物農藥的開發提供了候選化合物實體及綠色生物合成技術。

圖3大豆素合酶鑒定與大豆素等異黃酮抗菌活性測試

綜上，該研究首次解析了多種大豆素在大宗作物大豆中的完整生物合成途徑并實現植物底盤異源全合成，深化了對大豆防御機制的認知，也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，助力可持續農業發展。大豆素及其他異黃酮植保素的高效合成底盤和技術也將拓展活性植物異黃酮的來源及其在醫藥和健康領域的應用，具有廣闊的應用前景。

黃安誠課題組已畢業碩士生謝嘉麗和在讀碩士研究生田嘉瑜為論文共同第一作者，黃安誠為論文通訊作者，南科大為唯一通訊單位。黃安誠課題組已出站博士后Salman Khan、郝宇瓊和陳飛龍，博士研究生于經緯、研究助理教授周倩參與了該項研究。南京農業大學張峰教授和澳門科技大學朱國元副教授參與了該研究并提供了實驗材料和技術支持。本研究得到了深圳市高等院校穩定支持項目和深圳市基因工程與分子設計重點實驗室等項目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01914-3