近日，上海辰山植物園(中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辰山科學研究中心)徐萍團隊在國際知名學術期刊Plant Communications發(fā)表最新研究成果，題為：“A dual-substrate methyltransferase catalyzes consecutive methylation reactions converting proline to stachydrine inLeonurus japonicus”。

該研究首次解析了藥用植物益母草中另一主要活性成分——水蘇堿(stachydrine) 的生物合成路徑，發(fā)現(xiàn)并鑒定出關鍵限速酶 MT37，揭示了它具有獨特的“雙底物甲基轉移活性”，為這一“懸而未解”的代謝之謎畫上句號。

水蘇堿是什么?它為何重要?

益母草是我國傳統(tǒng)藥材，被譽為“血家圣藥”，收錄在《中國藥典》，沿用至今已有兩千多年歷史。

其主要功效來自兩種活性成分：益母草堿(leonurine) 和 水蘇堿(stachydrine)。

水蘇堿是一種結構簡單但功能多樣的天然分子，不僅存在于藥用植物中，也廣泛存在于動植物和微生物體內。在植物中，它是一種“滲透調節(jié)因子”(osmoprotectant)，能夠在干旱、高鹽、低溫等逆境下調節(jié)細胞滲透壓、保護細胞結構，是植物抵御逆境的“隱形保護傘”。

在醫(yī)學領域，水蘇堿同樣表現(xiàn)出強大的活性，具有心血管保護、抗炎、抗氧化、抗纖維化等多重功效，被認為是極具開發(fā)潛力的天然藥物成分。

然而，自20世紀50年代提出“水蘇堿可能由脯氨酸經連續(xù)甲基化生成”的假說以來，其真正的合成機制和關鍵酶一直未被驗證。研究團隊通過對比不同植物發(fā)現(xiàn)，益母草不僅水蘇堿含量最高，而且其基因組信息完整，因此成為破解這一謎題的理想研究對象。

圖1.水蘇堿在益母草(A)中含量顯著高于其他植物(B);(C)推測的合成路徑與本研究驗證的真實合成路徑。

科學家如何揭開謎底?

研究團隊以益母草為研究對象，基于轉錄組與代謝組數(shù)據(jù)，從54個候選甲基轉移酶基因中逐步篩選，最終鎖定關鍵限速酶 MT37。

通過體外酶活實驗、在大腸桿菌和煙草中異源表達、病毒誘導基因沉默、毛狀根過表達及分子對接分析等多種手段，科學家系統(tǒng)揭示了MT37的功能。

結果表明，MT37不僅能催化N-甲基脯氨酸(N-Pro)向水蘇堿的轉化，還能直接在植物體內將脯氨酸連續(xù)甲基化生成水蘇堿，展現(xiàn)出“雙底物連續(xù)催化活性”。進一步的結構建模表明，MT37的活性中心可同時結合兩種底物，是一種前所未見的“雙功能甲基轉移酶”。

圖2. MT37的功能驗證與催化機制示意圖。

研究意義：從天然代謝到未來應用

MT37的發(fā)現(xiàn)，不僅揭開了水蘇堿在植物體內的生成機制，也為科學家提供了合成生物學與植物分子育種的新工具。

未來，這一研究成果可望用于：

藥物與保健品開發(fā)：通過微生物或植物體系實現(xiàn)水蘇堿的高效、綠色合成;

作物抗逆育種：利用MT37增強植物的耐鹽、耐旱等環(huán)境適應性;

值得一提的是，這項研究也是繼徐萍團隊2024年在Molecular Plant發(fā)表益母草堿(leonurine)合成路徑后取得的又一突破。至此，益母草兩種代表性活性生物堿的完整生物合成途徑均已揭示，標志著辰山團隊構建了系統(tǒng)完整的益母草生物堿代謝研究體系。

研究團隊與支持

該研究由上海辰山植物園/上海植物功能基因組與資源重點實驗室/中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合完成。

論文第一作者為何澤坤(中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究生)與宋苡寧(辰山植物園—上海師范大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生)，通訊作者為徐萍副研究員。辰山植物園龍應濱(辰山植物園—福建農林大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生)、劉盼、李鵬、崔孟穎、陳慧茹、高云等做出重要貢獻，李健戌副研究員、趙清研究員、胡永紅園長參與部分研究工作及指導。

本研究獲得上海市“東方英才”鄉(xiāng)村振興?！r業(yè)科技創(chuàng)新項目、上海市綠化和市容管理局辰山專項基金及上海市中央引導地方科技創(chuàng)新專項的資助。

研究團隊特別感謝中國科學技術大學向成斌教授在研究思路與結果論證方面的指導，感謝辰山植物園代謝平臺孔羽博士在代謝檢測分析中的技術支持，感謝中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心代謝平臺徐曉燕博士與高原原老師在樣品處理與數(shù)據(jù)分析方面的幫助，同時感謝辰山植物園顏夢曉博士和趙苑秀同學在實驗材料準備與樣品處理中的協(xié)助。