青藏高原神奇生物堿研究揭開“蒙汗藥”演化之謎

　　 在青藏高原這片充滿神秘氣息的土地上，生長著一種神奇的植物——山莨菪。這種神奇的藏藥被廣泛用于治療哮喘、中毒、眩暈、醫學麻醉和一些炎癥，其莖葉還常被高原牧民用于治療牦牛的腹脹和停食等病癥，是治療牦牛多種疾病的重要藥物。當使用量多了之后，人和牦牛都會出現幻覺，暫時性失去知覺，肌肉松弛，成為天然的麻醉劑；而這些神奇療效都是來自其所含有的兩類豐富生物堿：莨菪堿和東莨菪堿等。

　　在蒙汗藥中，我們也可以發現類似的成分，這種在中國古典武俠小說中經常被提及的神奇藥物，主要成分其實主要也是莨菪堿、東莨菪堿等成分。這些生物堿同樣存在于青藏高原的另一類茄科的特色植物茄參屬中。

　　對于這些神奇生物堿的研究，歷經了一個多世紀。但長久以來，人們對其在茄科植物中的起源和演化歷程知之甚少。近日，蘭州大學劉建全團隊的一項研究為我們揭開了這個謎團。

　　研究人員通過對茄科中產生莨菪堿和東莨菪堿三個族的代表性物種進行深入研究，發現這些合成莨菪堿和東莨菪堿的物種雖然親緣關系較遠，但卻共享相同的生物合成途徑。這表明這些生物堿的合成途徑可能起源于茄科現有植物的共同祖先，隨后在其他不產這類生物堿的植物中隨機丟失了。相關論文發表于《自然-通訊》。

　　“為了探索這一演化歷史，我們對茄科各族15個代表物種進行了微共線性分析。我們發現兩種生物堿合成通路在大多數茄科物種中保留了保守的共線性區塊和共線基因。”蘭州大學生態學院院長劉建全告訴《中國科學報》，這些高度保守的共線性區塊以及基因樹和物種樹高度相似的拓撲結構共同表明，莨菪堿和東莨菪堿合成途徑可能出現在所有茄科植物的共同祖先中。然而，在隨后的多樣化過程中，兩個生物堿合成通路下游基因在大多數族物種中假基因化或丟失，導致它們只在茄科少數親緣關系較遠的植物中存在。這一發現為研究生物多樣性和生態適應提供了新的視角。

　　特別重要的是，研究人員還對關鍵基因進行了分子功能的控制實驗。他們發現茄參TRI基因表現出底物高親和力和高催化活性，是目前茄科已報道物種中實現該功能最強的基因。通過引入功能缺失和功能獲得性突變實驗，研究人員進一步驗證了木本曼陀羅和土豆這兩種物種中涉及TRI關鍵基因的功能減少/丟失以及重新激活產生托品生物堿的生化能力。這些實驗成功表明，不合成兩種生物堿的代表性物種中，由于基因松弛進化帶來的位點突變，其酶活性和功能進一步降低，并且導致基因序列的進一步丟失。

　　這一研究結果具有重要的實際應用價值。它表明在不合成兩種重要生物堿的茄科作物中，還存在大量的合成兩種生物堿生物途徑的重要基因。這些功能減弱、假基因化或少量丟失的基因可以通過基因工程進行改變或加入，從而在茄科作物中重建兩種重要生物堿的完整合成通路。這一基礎發現為未來利用茄科作物大規模生產這兩種重要生物堿提供了可能性，有望在農業和制藥領域帶來新的突破。通過進一步的研究和應用，我們可以更好地利用生物技術的力量，為人類帶來更多的益處。

　　 相關論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44246-3