葫芦科植物黄瓜、甜瓜、西瓜等是我国重要的蔬菜及水果。在种植过程中,高温、干旱或虫害等因素作用会导致它们的果实变苦。这种苦味是由一类叫葫芦素的四环三萜化学成分导致的。一方面,葫芦素在果实中积累,使得果实变苦,影响商品品质;但另一方面,葫芦素在叶或根中积累,能够抵抗病菌,防御虫害的侵袭。现代药理研究表明,葫芦素在抗肿瘤上具有很好的药用潜力,但它们在植物体内含量相对较低,化学合成难度大,影响了它们的开发利用。为了解决上述问题,本课题运用基因组、转录组、靶向代谢等多重组学和技术对葫芦素开展合成生物学研究,取得了以下研究结果。在对黄瓜植物体内的葫芦素代谢产物研究中,我们运用现代色谱和波谱技术,从375 kg新鲜黄瓜叶中分离并鉴定了 16个葫芦素类型化合物(化合物 1-16)其中,化合物 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、15、16为新化合物。从生源途径来看,化合物5、8、14可能是葫芦素生物合成路径的中间产物。在黄瓜、甜瓜、西瓜的基因组、转录组和变异组基础上深入挖掘数据,并结合遗传学、分子生物学等多种研究手段,分别揭示了葫芦素C、B、E的合成基因簇,它们具有很强的保守性,但同时存在进化差异。运用质谱分析、核磁共振等代谢分析技术,我们成功验证了三个基因簇中氧化角鲨烯环化酶基因(CsBi/CmBi/ClBi)、4个P450基因(Cs540、Cs160/Cm160/Cl160、Cs890/Cm890/Cl890、Cm180/Cll80)、乙酰转移酶基因(Cs700/Cm700/Cl700)的功能。其中,保守P450基因890是多功能基因,编码的蛋白能催化多步氧化反应;差异P450基因540和181,分别在C19位和C2位催化羟基化反应,导致了葫芦素C和葫芦素B、E的结构差异。