广东
近日，华南农业大学生命科学学院吴鸿教授团队联合植物保护学院周筱帆团队、复旦大学任若冰团队在Plant Communications（中科院一区TOP期刊，影响因子13.9）在线发表了题为“Lineage-specific enzyme optimization underlies divergent evolution of trans-Cinnamaldehyde and Eugenol biosynthesis in Cinnamomum cassia and Cinnamomum verum”的研究论文。该研究从基因组、转录组、酶学与结构生物学多维度出发，系统破解了两种肉桂功效成分趋异积累的分子机制，为肉桂品质定向调控和合成生物学应用提供了新思路。
中国肉桂与锡兰肉桂同属樟科樟属、亲缘关系极近，主要功效成分却截然不同：一个富含反式肉桂醛，一个富含丁香酚。研究团队首先完成了两种肉桂的染色体级别基因组组装（中国肉桂约1.11 Gb、锡兰肉桂约1.24 Gb，均含12条染色体），结合比较转录组分析发现，苯丙烷类核心通路在两种肉桂间高度保守，代谢分歧由“终端分支”上的关键酶驱动。在反式肉桂醛支路，中国肉桂的Cc4CL3对反式肉桂酸表现出极强的底物偏好与催化效率，其kcat/Km值比已报道的Ph4CL1高15.7倍。分子动力学模拟及点突变实验揭示，Cc4CL3中Lys523稳定朝向ATP的α-磷酸，而其他同源酶中该赖氨酸构象动态或方向偏离，导致腺苷化步骤效率低下。非保守残基（F220、S340）和A10基序的差异是造成这一高效催化的关键。进一步研究发现，两种肉桂的CCR1蛋白序列完全相同，但中国肉桂启动子中插入的两个短串联重复序列（STRs）破坏了转录因子NAC35的结合位点，使CcCCR1逃脱抑制、维持高表达，驱动反式肉桂醛大量积累；在丁香酚支路，锡兰肉桂CFAT5体外催化合成量约为中国肉桂CFAT5的3倍。分子动力学模拟及点突变实验揭示锡兰肉桂的CvCFAT5以更深的底物结合口袋稳定结合乙酰辅酶A与松柏醇，高效合成丁香酚。
肉桂是蜚声海内外的香料，也是传承千年的中药。该研究不仅揭示了两种肉桂代谢途径趋异演化的分子机制，也为肉桂品质的定向调控提供了科学依据：解析关键酶的结构与功能，可指导分子辅助育种和基因编辑，培育高反式肉桂醛或高丁香酚的肉桂品种；鉴定的高效酶元件（如Cc4CL3、CvCFAT5）可为合成生物学底盘构建提供参考，为高值天然产物的可持续生产开辟新途径。
华南农业大学生命科学学院已出站博士后叶鹏、上海交通大学医学院附属第六人民医院玉蕾叶博士、华南农业大学林学与风景园林学院李雁群副教授为论文共同第一作者，华南农业大学生命科学学院药用植物研究中心吴鸿教授、植物保护学院周筱帆教授、复旦大学代谢与整合生物学研究院任若冰研究员为共同通讯作者。中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所海南分所刘培卫副研究员、华南农业大学生命科学学院已毕业罗柳明博士、复旦大学代谢与整合生物学研究院博士研究生王琛、秦朝阳等参与了部分工作。
本研究得到国家自然科学基金面上项目（32370383）、“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目（2022SDZG07）、粤桂联合基金重点项目（2020B1515420007）、广东特支计划（2024TX08A051）和广东省中药材育繁推一体化产业体系构建项目（2026-NQD-21-001）的资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259034622600427X
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