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萜类化合物是自然界中广泛存在的一类天然产物,其结构多样,种类丰富,有着多样的生物学功能,在食品、医药及化妆品行业有着广泛的应用。在自然界中,萜类化合物的生物合成是由MEP途径或MVA途径催化合成前体物质IPP和DMAPP;随后IPP和DMAPP在异戊烯基转移酶的催化下,缩合形成不同链长的异戊烯基前体物质香叶基焦磷酸（geranyl pyrophosphate,GPP）、法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate,FPP）、香叶基香叶基焦磷酸（geranylgeranyl diphosphate,GGPP）以及香叶基法尼基焦磷酸（geranylfarnesyl pyrophosphate,GFPP）;紧接着,萜类合酶催化这些不同链长的底物合成萜类化合物核心骨架;最终,这些骨架在一系列后修饰酶（细胞色素P450酶、糖基转移酶、酰基转移酶）的作用下形成结构多样、具有多种生物学功能的萜类化合物。迄今为止,研究人员已阐明了80 000多种萜类化合物的结构,这其中,绝大多数的化合物是以骨架的形式存在,而对其生物学功能的研究还远远不足。细胞色素P450酶（Cytochrome P450,CYPs）在萜类化合物的结构和生物学功能多样性形成过程中发挥着重要作用,超过97%的萜类化合物是经过P450酶的氧化作用形成的。因此,如何有效地挖掘具有生物学功能的P450酶,进而获得结构多样、具有生物学功能的萜类化合物,是该研究领域面临的一个主要问题。为了解决上述问题,本研究综合利用传统的基因组挖掘、异源表达以及新兴的组合生物合成策略的优势,挖掘并鉴定了P450酶的功能,获得一系列新的后修饰的倍半萜和二倍半萜化合物,丰富了萜类化合物的多样性。在前期工作中,我们对丝状真菌禾谷镰刀菌J1-012菌株（Fusarium graminearum J1-012）的基因组进行了测序,发现其体内含有9个I型的萜类合酶。基于本课题组建立的高产萜类化合物的平台,我们对其中四个萜类合酶Fg J01056、Fg J02895、Fg J09920和Fg MS的功能进行验证,获得了3个倍半萜化合物骨架longiborneol、guaiadiene和koraiol及二倍半萜化合物骨架mangicdiene。为了进一步挖掘结构多样及具有良好生物学活性的萜类化合物,本研究采用异源P450酶的组合生物合成和挖掘萜类基因簇中的P450酶的策略,对获得的四个萜类骨架化合物的后修饰产物进行研究。本研究采用组合生物合成策略,将具有底物杂泛性的P450酶CYP260B1分别和倍半萜合酶Fg J01056、Fg J09920进行组合,合成了2个氧化修饰的产物culmorin、culmorone和1个新化合物koraidiol。该策略表明,利用非同源的P450酶来产生新的氧化的萜类化合物或通过组合生物合成,来开发新的生物合成途径合成已知化合物的潜力。我们发现二倍半萜类化合物mangicdiene具有mangicols类化合物的核心骨架。这类化合物是从红树林的异孢镰刀菌（Fusarium heterosporum CNC-477）中分离到的一类重要的二倍半萜化合物,因其复杂的结构和良好的抗炎活性和低细胞毒性,吸引了大量研究人员的目光。然而,目前该类化合物主要通过传统的分离方法获得,效率低成本高。迄今为止,该类化合物的生物合成途径还未被揭示。为此,本研究利用米曲霉（Aspergillus oryzae）异源表达平台对Fg MS的生物合成基因簇进行挖掘,并阐明mangicols类化合物的生物合成途径。我们将Fg MS基因簇中的基因在米曲霉中进行异源表达,构建了一系列突变株。我们在AO-mgc DE、AO-mgc DEF和AO-mgc CDE三个突变株中成功检测到了6个后修饰产物,其中化合物1-5均为magicols类新化合物,并且中间产物3表现出良好的抗炎活性。根据以上结果,我们首次阐明了mangicols化合物的生物合成途径。在该生物合成途径中涉及环氧化物水解酶mgc C、二倍半萜合酶mgc D以及两个P450酶（mgc E和mgc F）4个酶的参与。同时我们发现mgc E为多功能的P450酶,能连续催化多步反应。本研究的发现填补了mangicols化合物生物合成研究领域的空白。在本研究中,我们发现Fg J02895催化合成的guaiadiene与倍半萜化合物englerin A具有相同的核心骨架。Englerin A是从大戟科植物毒叶下珠（Phyllanthus engleri）树皮中分离得到的新型愈创木烷倍半萜二酯化合物,具有良好的抗肾癌活性(growth inhibitory GI50<20 n M),目前主要是从植物中提取或化学合成获得,但是产量较低,不能满足需求。迄今为止,englerin A的生物合成途径还是未解之谜。为此,本研究以A.oryzae为异源表达平台,构建了一系列突变株,对Fg J02895倍半萜生物合成基因簇的功能进行了系统研究。结果显示,在AO-Y2突变株（含有3个P450酶和一个乙酰基转移酶）中产生3个新的后修饰产物,通过NMR及HR-LCMS检测,我们鉴定了其结构,分别为氧化和乙酰化的guaiane类倍半萜化合物。这些代谢中间产物的发现有望使我们以更少的步骤合成englerin A。通过此研究,我们初步对Fg J02895基因簇的功能进行了解析,发现除了倍半萜合酶Fg J02895之外,在该生物合成途径中还有P450酶及乙酰基转移酶的参与。上述实验表明,将基因组挖掘同组合生物合成、异源表达策略相结合,能够加速萜类化合物及其生物合成基因簇的挖掘进程,获得新颖的、结构多样的、具有生物学功能的萜类化合物,并阐明这些化合物的生物合成途径及机理,为后续高效合成这些萜类化合物奠定重要的基础。