近日，51黑料 沈晨佳研究小组在Nature Communications（中科院一区，IF=15.7）发表了题为“Analysis genome of Pseudotaxus chienii reveals insights into the origin and evolution of taxane biosynthesis” (//doi.org/10.1038/s41467-025-67849-4) 的研究论文。

紫杉醇是从红豆杉属植物中提取的二萜类化合物，科学家发现其通过抑制微管解聚实现抗癌作用的独特机制。1992年经美国FDA批准作为注射液上市，主要用于卵巢转移性癌化疗失败后的治疗。然而，天然红豆杉中紫杉醇含量较低，仅占树皮重量的0.01%～0.02%。此外，红豆杉生长周期长且缓慢，长期的滥砍滥伐导致红豆杉自然资源日益枯竭。解析紫杉烷生物合成的起源和进化，有助于发掘调控靶点，为提高紫杉醇合成效率打下基础。尽管多种红豆杉植物的全基因组序列已经公开发表，但紫杉醇仅在红豆杉属植物中合成的原因尚不清楚。研究小组通过长途跋涉及野外考察，在浙江省丽水地区发现了红豆杉的姊妹种，具有活化石之称的白豆杉。通过全基因组测序拼接得到了白豆杉的巨型裸子植物基因组，完成了染色体水平的组装和比较基因组学分析。白豆杉（P. chienii）的两倍体基因组大小为15.6G，大于南方红豆杉（T. mairei, 10.2G），密叶红豆杉（T. wallichiana, 10.9G）和云南红豆杉（T. yunnanensis, 10.7G）。

进化分析表明，在五个具有完整基因组的红豆杉科植物中，香榧是红豆杉科中最古老的植物。随着红豆杉科的出现，白豆杉已经进化出具有紫杉二烯合酶活性的TPS基因，并在大约48.3 百万年前从香榧中分化出来。尽管白豆杉已经具有紫杉烷生物合成的初始阶段，但它只拥有紫杉醇生物合成途径的部分基因，该途径在负责合成10-脱乙酰基巴卡丁III的酶（称为TBT）产生之前终止。大约24.3至25.6百万年前，红豆杉属的进化形成了一个与白豆杉谱系不同的独立的分支。随着红豆杉属的形成，TBT缺失造成的局限性得到了解决，扩展了白豆杉中现有紫杉烷生物合成途径，形成了完整的紫杉醇生物合成途径（图1）。

图1紫杉醇生物合成途径的形成。

对萜类合酶（催化类异戊二烯环化反应的酶）的研究，为揭示陆生植物中特有的萜类化合物生物合成途径的演化规律提供了重要参考。二萜类化合物的生物合成可由三类不同的酶启动，即Ⅰ类萜类合酶、Ⅱ类萜类合酶以及Ⅰ/Ⅱ双功能萜类合酶，这三类酶均以牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）为反应前体。目前已在裸子植物和石松类植物中，例如巨冷杉、香脂冷杉、银杏和兖州卷柏等物种，鉴定出双功能萜类合酶。紫杉烷类化合物生物合成的关键起始步骤，是在紫杉二烯合酶（TS）的催化下，线性GGPP 发生环化反应生成紫杉-4(5),11(12)-二烯。已有研究表明，短叶红豆杉中的紫杉二烯合酶属于Ⅰ类萜类合酶。萜类合酶的分类主要依据DXDD和DDXXD/E这两个基序的有无情况。值得注意的是，红豆杉科植物中已知的紫杉二烯合酶缺乏经典的DDXD基序，因此被归为Ⅰ类萜类合酶而非双功能萜类合酶，这一特征体现了红豆杉科在裸子植物中的独特演化地位。核心蛋白区域在红豆杉科与其他裸子植物萜类合酶之间具有高度相似性，表明该区域在演化进程中具有保守功能。

X 射线晶体结构分析显示，短叶红豆杉来源的紫杉二烯合酶（TS）蛋白具备一个完整的I类萜类合酶 C 端结构域，以及一个变异的II类萜类合酶 N 端结构域，这表明该酶通过离子化作用而非质子化作用激活类异戊二烯底物。以 3p5p.1.A 模型为模板进行的结构分析表明，白豆杉紫杉二烯合酶1（PcTS1）的结构更接近于I类萜类合酶，而非裸子植物中存在的双功能萜类合酶，暗示其可能是一种进化过渡形式。已有研究证实，DDXXD 基序与 **(N,D) DXX (S,T) XXXE 基序在I类萜类环化酶中扮演金属离子结合位点的角色。在 PcTS1 中，预测其 DDXXD 基序上的天冬氨酸残基 D668 与 D669位，以及 (N,D) DXX (S,T) XXXE 基序上的天冬酰胺残基 N812位、天冬氨酸残基 D813 位与谷氨酸残基 E820位共同构成二价阳离子结合位点。这一结果表明，金属离子催化位点的结构在白豆杉属与红豆杉属植物的紫杉二烯合酶中具有保守性（图2）。

图2白豆杉紫杉烯合成酶克隆及功能分析。

综上所述，本研究报道的南方红豆杉染色体水平高质量基因组组装结果，为揭示红豆杉科植物中紫杉烷类化合物生物合成途径的起源与演化提供了关键参考依据。南方红豆杉隶属于比红豆杉属更为古老的类群，其体内仅存在紫杉醇生物合成的部分途径，因缺失一种名为TBT 的关键酶，最终导致高度乙酰化的紫杉烷类化合物紫杉素（taxusin）发生积累。随着红豆杉属的演化出现，这种因转移酶缺失而造成的合成限制得以突破，进而形成了完整的紫杉醇生物合成途径。

51黑料 为第一完成单位和通讯作者单位，王明爽副教授为本文第一作者，生科院 2023级研究生马若云作为第二作者，沈晨佳副研究员为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的支持。在过去的五年里，沈晨佳科研小组在红豆杉紫杉醇生物合成调控领域已发表多篇学术论文：

1. The Plant Journal. 2020 Jul;103(1):95-110.

2. Horticulture Research. 2022 Mar 14:9:uhac062.

3. The Plant Journal. 2023 Sep;115(5):1243-1260.

4. Plant Communications. 2023 Sep 11;4(5):100630.

5. Microbiome. 2024 Sep 7;12(1):165.

6. Plant Cell Environ. 2025 Jun;48(6):4196-4211.

7. The Plant Journal. 2025 Apr;122(1):e70135.