2026年8月22日，我校本草基因组学研究院黄胜雄团队在《Nature Communications》发表题为“A case study of evolutionary variability and determinism among type III polyketide synthases”的研究论文。该研究围绕药食两用植物岩荠（Cochlearia officinalis L.）开展，系统揭示了植物中催化3-氧代戊二酸（3-oxo-glutaric acid, OGA）合成的III型聚酮合酶（Polyketide synthases, PKSs）在多个远缘植物中趋同演化的分子机制和演化轨迹，为理解酶趋同演化的内在机制提供了新案例。

药用成分是植物在漫长演化中形成的适应性代谢特征，深刻影响着植物的生态适应性，也是中药药效形成的物质基础。通常，亲缘关系较近的植物类群倾向于合成和积累结构相似的代谢产物。然而，一些相似或相同的次生代谢产物也会在亲缘关系较远的谱系中独立出现——如托品烷生物碱、咖啡因及其他黄嘌呤生物碱、芪类化合物等，这表明了代谢表型的趋同演化在植物演化史中反复上演。远缘植物中众多酶经趋同演化并能催化相同反应的现象，引出疑惑：这些同源酶为何能演化出相同的催化功能？其演化轨迹又遵循着怎样的规律？回答这些问题，有助于阐明中药活性成分的起源与演化规律，并为中药药用植物资源的挖掘提供指导。III型PKSs催化的反应类型丰富，广泛参与药用植物活性成分的生物合成，其中OGA合酶参与了托品烷生物碱（Tropane alkaloids，TAs）、石松生物碱（Lycopodium alkaloids，LAs）和石榴皮烷生物碱（Granatane alkaloids，GAs）的生物合成。目前，茄科、古柯科和石松科等远缘科属中OGA合酶已有报道，且催化活性位点呈现出多样性，使其成为研究同源酶功能趋同演化的理想模型。

研究团队首先从产托品烷生物碱的十字花科药用植物岩荠中鉴定出两个OGA合酶CoPKS1和CoPKS2。其中，CoPKS1能同时催化OGA和三乙酸内酯（Triacetic acid lactone, TAL）生成，而CoPKS2则专一催化OGA合成。蛋白晶体的结构分析和氨基酸定点突变实验结果显示：R260为CoPKS2的关键催化残基，且将R260引入CoPKS1即可实现OGA/TAL双功能酶向专一OGA合酶的功能切换。在其他一系列突变实验中，TAL和OGA活性在不同突变株中呈现出“此消彼长”的模式，这揭示了CoPKS1/2及其变体在OGA与TAL形成之间“跷跷板”式的功能博弈。

联合国外合作团队组装的岩荠（同源四倍体）单倍型基因组数据，研究团队进一步解析了CoPKS1和CoPKS2的进化起源。共线性分析表明，岩荠中CoPKS1与CoPKS2所在基因组区域呈现良好共线性，且该区域在十字花科多个物种中高度保守。其中，在拟南芥中共线性的同源基因正是经典的查尔酮合酶AtCHS，体外酶促反应显示其也具有OGA和TAL双重活性。这表明，TAL和OGA的形成可能是十字花科中经典CHSs固有的潜能；在特定谱系中，其演变为专一性的OGA合酶（如CoPKS2）。

研究进一步拓展到桑科、山龙眼科等产TAs、LAs及GAs的药用植物谱系中，体外酶活测试结果显示：这些物种中CoPKS1/2的共线性同源蛋白涵盖了专一OGA合酶、专一TAL合酶以及兼具OGA和TAL催化活性的双功能PKSs。由此推测OGA合酶的演化轨迹为：在远缘谱系中，以查尔酮合酶固有的TAL催化潜能为起点，通过不同的活性位点创新，能反复独立地演化出OGA催化活性。

综上，该研究从药用植物岩荠中鉴定了两个OGA合酶CoPKS1/2，解析了其催化机制，并联合国外合作团队从产TAs、LAs及GAs的远缘植物中鉴定了多个OGA合酶的共线性同源酶，系统阐明了TAL与OGA两种催化活性之间的联系，揭示了OGA合酶从经典聚酮合酶演化而来的规律性轨迹。对这一案例的深入研究不仅加深了我们对酶功能趋同演化中偶然性和必然性的理解，也为中药药用植物资源的挖掘及基于合成生物学酶高效生产中药药效成分提供了启示。

本项目得到国家自然科学基金，国家重点研发计划及云南省和四川省的科学基金等项目的资助。成都中医药大学黄胜雄研究员和中国科学院昆明植物研究所黄建萍研究员为共同通讯作者，成都中医药大学的研究生陈雅慧为第一作者。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76993-4

(文/图 中医药创新研究院/交叉学科研究院）