科学家实现大豆素等异黄酮植保素的绿色生物全合成

近日，南方科技大学生命科学学院生物系副教授黄安诚团队在《自然—化学生物学》上发表最新研究成果。研究人员通过重塑本氏烟草代谢流，构建了高产异黄酮植物合成生物学底盘，实现关键异黄酮染料木素和大豆苷元在干叶片中产量分别达到了11.8 g/kg和7.0 g/kg。

 研究人员进一步结合多组学技术解析作物大豆中6种抗菌植保素，实现大豆素及多类重要活性异黄酮在本氏烟草中的高效全生物合成，其中大豆素I和大豆素II在干叶片产量分别达到2.6g/kg和5.9g/kg。

植保素是植物应对环境压力进化出的化学防御机制，通常多在病虫害侵袭时合成，豆科植物能够特异合成异黄酮类化合物作为植保素。其中，大豆素是大豆中特有的异黄酮植保素，具有结构复杂且抗菌活性强的特性，不仅能帮助大豆抗病，还具有抗癌和抗菌等药物开发潜力。然而，大豆素在大豆中含量极低，通过化学合成和植物提取分离难以实现量产。合成生物学为实现绿色生物智造量产提供了可能性。

该研究中，研究人员在本氏烟草中重构了大豆素上游前体——大豆苷元的生物合成通路，进一步采用多种策略组合调控代谢流，成功实现了在仅过表达通路基因的基础上，将异黄酮产量提升了3到5倍。这一成果为后续的大豆素合成通路解析提供了充足的代谢前体。

进一步地，研究人员利用共表达分析技术，从大豆转录组数据中筛选出候选基因进行功能验证，最终鉴定出6种细胞色素P450单加氧酶能够催化大豆素E环的形成，从而成功合成多种大豆素，并进一步构建大豆毛状根体系。研究团队利用CRISPR/Cas9技术获得敲除不同大豆素合酶的大豆毛状根突变体，发现突变体在病原疫霉菌侵扰后，大豆素无法合成或合成量显著降低，研究首次明确了这些大豆素合酶在植物中的作用。

研究人员构建的高产异黄酮本氏烟草底盘，可用于多种类型活性异黄酮的绿色从头合成，包括大豆素和美迪紫檀素等。研究人员进一步测试了上述活性异黄酮的抑菌活性，发现13-表-大豆素III 和美迪紫檀素对致病大豆疫霉菌和烟草疫霉菌具有强抑菌活性，而大豆素III的抑菌活性则较弱，揭示了抗菌活性与化合物的构效关系，尤其是C13位立体构型对抑菌活性的重要影响，为开发新型植物源生物农药提供了候选化合物及绿色生物合成技术。

该研究深化了对大豆防御机制的认知，为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标。大豆素及其他异黄酮植保素的高效合成底盘及其技术的发展，将拓宽活性植物异黄酮的来源，及其在医药和健康领域的应用范围，展现出广阔的应用潜力。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41589-025-01914-3