萜類化合物是天然產(chǎn)物中數(shù)量最龐大的家族，具有重要的生物學(xué)功能和藥用價值;萜類環(huán)化酶(terpene cyclases, TCs)催化精細(xì)復(fù)雜的環(huán)化反應(yīng)，生成多樣化的萜類骨架，是萜類化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣性的基礎(chǔ)。中國科學(xué)院昆明植物研究所植物化學(xué)與天然藥物全國重點(diǎn)實驗室黎勝紅研究團(tuán)隊長期致力于新穎萜類化合物的發(fā)現(xiàn)、生物/化學(xué)合成及生物功能研究。團(tuán)隊前期發(fā)現(xiàn)藥用植物火把花(Colquhounia coccinea var. mollis)腺毛富含一類具有防御功能和抗炎免疫等活性的新穎骨架二倍半萜(命名為火把花烷)(Org. Lett. 2013, 15: 1694)，并從其內(nèi)生真菌深綠木霉菌(Trichoderma atroviride B7)中分離鑒定了系列抗菌活性哈茨木霉烷和木霉素二萜化合物(Phytochemistry 2020, 170: 112198)。近日，團(tuán)隊成功從木霉屬真菌中挖掘并鑒定了一類新穎的非典型萜類環(huán)化酶，解析了木霉屬特征二萜的生物合成及生物學(xué)功能。

研究團(tuán)隊通過酶活性導(dǎo)向蛋白分離，結(jié)合比較轉(zhuǎn)錄組分析，從木霉屬中挖掘到一類新型萜類環(huán)化酶TriDTCs，通過異源表達(dá)、基因敲除和體外酶活實驗鑒定了其功能。發(fā)現(xiàn)TriDTCs催化二萜直鏈前體GGPP環(huán)化生成哈茨木霉烷骨架化合物harzianol I和木霉素骨架化合物wickerol A。TriDTCs代表了一類全新的TCs，不包含可識別的酶功能域和經(jīng)典TCs的保守序列。在催化機(jī)制研究中，發(fā)現(xiàn)TriDTCs可能利用獨(dú)特的天冬氨酸三聯(lián)體DxxDxxxD啟動環(huán)化反應(yīng)，利用關(guān)鍵纈氨酸殘基調(diào)控產(chǎn)物特異性，并通過“門控”殘基維持酶活性。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明，TriDTCs僅分布于三個真菌屬中，且在木霉屬內(nèi)具有高度功能特異性，暗示其起源于木霉屬且具備獨(dú)立進(jìn)化歷程。生物功能研究顯示，TriDTCs通過催化產(chǎn)生harzianol I調(diào)控真菌抗性繁殖體(木霉屬厚垣孢子和米曲霉菌核)的形成，從而參與真菌生存策略。

該研究破解了木霉屬特征二萜生物合成之謎，發(fā)現(xiàn)了一類全新的萜類環(huán)化酶亞家族，拓展了萜類環(huán)化酶多樣性及生物學(xué)意義的認(rèn)識，為哈茨木霉烷和木霉素二萜的合成生物學(xué)制造及深入研究與開發(fā)利用奠定了重要基礎(chǔ)。該研究還首次報道了天然產(chǎn)物調(diào)控真菌抗性繁殖體形成，為提高木霉菌生物防治效能提供了新策略。研究結(jié)果以Noncanonical terpene cyclases for the biosynthesis of diterpenoids regulating chlamydospore formation in plant-associated Trichoderma為題發(fā)表于國際著名期刊Nature communications(2025, 16: 7823)，中國科學(xué)院昆明植物研究所博士后楊敏杰為論文的第一作者，中國科學(xué)院昆明植物研究所/成都中醫(yī)藥大學(xué)黎勝紅研究員和劉燕教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金(82222072、22107103、U23A20510)，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDB1230000)，中國博士后科學(xué)基金(2021M703285)，云南省自然科學(xué)基金(202401BC070016)以及云南省興滇英才支持計劃青年人才專項(XDYC-QNRC-2024-560)的支持。

圖1 TriDTCs催化哈茨木霉烷和木霉素二萜合成及調(diào)控真菌抗性孢子生成功能示意圖