引言

植物活性成分是植物为适应环境产生的次生代谢产物，主要包括萜类、生物碱、黄酮类、多糖、皂苷、挥发油等化学类别。这些成分在医药领域具有抗氧化、抗炎、抗菌及抗肿瘤等生物活性，黄酮类和皂苷类对心血管疾病有显著防治效果，生物碱类在神经系统保护中发挥重要作用。化妆品领域应用中，植物多糖、多酚等成分通过超临界CO₂萃取等现代技术提取。而转录调控网络研究揭示了茉莉酸等植物激素对活性成分积累的层级调控机制，丹参已被确立为二萜类成分研究的模式植物。

UGT（UDP-葡萄糖醛酸转移酶）是药用次生代谢物质的关键修饰性酶，糖基化过程广泛存在于药用植物代谢过程中。如北柴胡的有效成分为柴胡皂苷，具有消炎、抗病毒、阵痛解热的药效。柴胡皂苷元为五环三萜，3位羟基上均与单糖链或双糖链相连，糖链组成多样，主要有葡糖糖、海藻糖、木糖等。再如珍贵的藏药植物大花红景天，具有抗衰老、抗疲劳、抗辐射、抗肿瘤等多种功效。其有效成分红景天苷的结构为酪醇-8-O-β-葡萄糖苷，以酪醇和尿苷二磷酸葡萄糖为底物，在UGT催化下合成。因此，本文综述药用植物活性成分如三萜皂苷、萜类内酯、生物碱类、黄酮类化合物中UGT的研究情况，以期为UGT在药用植物中的作用机制揭示奠定基础。

1 药用植物三萜皂苷化合物中UGT的研究进展

三萜皂苷的生物合成涉及环化、氧化和糖基化等多个步骤，其中UGT负责催化糖基的添加，这是皂苷水溶性和生物活性多样化的关键。目前，在人参、三七、甘草均有相应的研究。

1.1 PgUGT74AE2参与人参皂苷的生物合成

PgUGT74AE2已被证实可参与人参皂苷的生物合成。因其在皂苷富集组织中的高表达及与上游基因表达的相关性而被发现。在体外酶活实验研究中，重组PgUGT74AE2蛋白能特异性地以UDP-葡萄糖为供体，催化原人参二醇（PPD）和原人参三醇（PPT）的C-3位羟基进行糖基化，生成人参皂苷CK和Rh1等。在体内验证实验中发现，在人参毛状根中干扰PgUGT74AE2的表达，导致PPD/PPT积累及下游多种人参皂苷含量显著下降，证实了其不可替代的“启动”作用。PgUGT74AE2有着对底物特异性识别的特点，专一性地催化C-3-OH。底物相对宽泛能够同时识别PPD和PPT作为底物。并且有着糖供体特异性，严格依赖UDP-葡萄糖。

1.2 UGT71A、UGT74和UGT94亚家族参与三七中人参皂苷的生物合成

已有研究发现UGT71A亚家族糖基转移酶主要催化PPD和（或）PPT型皂苷的C6和C20位羟基的糖基化，UGT74家族糖基转移酶主要催化皂苷C3位羟基的糖基化反应，UGT94家族糖基转移酶主要催化糖链的进一步延伸。研究通过对不同三七样本进行转录组测序，共挖掘到89个糖基转移酶基因，并鉴定4个结构和功能新颖的糖基转移酶：PnUGT71A3、PnUGT74AH3、PnUGT74AH4和PnUGT94M1。PnUGT71A3可以催化原人参三醇（PPT）和人参皂苷F1的C6位羟基糖基化分别生成Rg1和Rh1，还可以催化原人参二醇（PPD）型皂苷Rg3的C20位羟基糖基化生成Rd。PnUGT74AH3 可以同时催化PPD和PPT型皂苷C3位羟基糖基化：以PPD和CK为底物分别生成人参皂苷Rh2和F2，以PPT和F1为底物分别生成Rh19和Ia，Rh19和Ia这两种皂苷均在人参叶中首先被发现。PnUGT74AH3的发现说明，三七中原人参三醇型皂苷C3位羟基也可以被糖基化，这一途径可能在人参属植物中广泛存在。PnUGT74AH4只能催化PPD型皂苷C3位羟基的糖基化。PnUGT94M1可以催化PPT型皂苷C6位葡萄糖基C2羟基的鼠李糖苷化，以人参皂苷Rh1和Rg1为底物分别生成Rg2和Re，是一种UDP-β-L-rhamnose 依赖的糖基转移酶，但不能利用UDP-α-D-glucose和UDP-α-D-xylose。

1.3 GuUGAT参与甘草酸的生物合成

GuUGAT是植物重要天然产物相关UGT中首个能催化两步葡萄糖醛酸化的UGT，同时也是三萜UGT中首个能将UDP-GlcA作为糖基供体的UGT。GuUGAT可能属于UGT73家族，但是值得注意的是GuUGAT与其他三萜UGT不一样，GuUGAT独立成支。该结果暗示GuUGAT可能为UGT家族亚支中新的代表成员。GuUGAT能完成连续的两步苷化反应，直接催化甘草次酸产生甘草酸。通过同源序列比对分析和分子对接的方法发现了9个位点Q352A，H22A，W370A，E375A和Q392A能使GuUGAT的催化活性下降约60-70%，可能是GuUGAT的关键活性位点。GuUGAT的发现为甘草酸的生物全合成及甘草的遗传育种奠定了坚实的基础。

2 药用植物萜类内酯化合物中UGT的研究进展

萜类内酯的糖基化通常起到稳定分子、调节活性或促进储存运输的作用。目前，在青蒿、雷公藤等均有相应的研究。

2.1 AaUGT71B9参与青蒿素的生物合成

穿心莲内酯是一种二萜内酯类化合物，具有众多药理活性包括解热抗炎活性、抗菌、抗肿瘤、保肝利胆、增强免疫功能、抗心血管疾病、抗HIV病毒、抗血小板聚集的作用等重要作用。其中代表UGT有UGT71、UGT73和UGT76均参与到穿心莲内酯的生物合成过程中。研究发现UV-C照射调控穿心莲重要生命进程。其中次生代谢、氧化磷酸化、光合作用等途径基因转录本的相对表达量呈UV-C特异性响应模式。当UV-C照射时，不仅穿心莲内酯含量会相应UV-C的变化，关键合成基因CYP71、UGT71、UGT73和UGT76的表达水平呈现与穿心莲内酯含量变化模式相同。

2.2 TwUGT1参与雷公藤甲素的生物合成

雷公藤甲素是一种具有多种强效药理活性的二萜环氧化物内酯。它的生物合成途径比较复杂，进行糖基化步骤是能让其形成前体的关键。雷公藤甲素代表UGT为TwUGT1，研究通过对雷公藤根部进行深度转录组测序，经过分析，得出与已知二萜合成酶高度共表达的UGT基因。研究发现，特定的雷公藤UGT可以催化雷公藤甲素的直接前体去氢松香烃类二萜的羟基进行糖基化。例如，一些UGT被证实可以催化雷公藤羟内酯或类似结构的羟基糖基化，生成相应的糖苷，这些糖苷可能作为合成通路中的中间体或最终产物。在雷公藤培养细胞中过表达该UGT基因，可以提高相应糖苷产物的积累。该UGT有着催化特性：区域选择性：对于底物特定位置的羟基（如C-5或C-14位）有选择性。功能多样性：糖基化可能改变了这些高活性二萜的溶解性和稳定性，可以使其在植物体进行转运和储存，也可能作为后续修饰的激活步骤。

3 药用植物生物碱类化合物中UGT的研究进展

生物碱是生物体内含氮有机物的统称，多为碱性物质，易于有机酸结合，以盐的形式存在于植物体内。植物体内多数生物碱都具有显著的药用价值，是大多数药用植物的有效成分。

罂粟为一年或多年生草本植物，罂粟中含有吗啡、可待因等多种生物碱，这些生物碱的合成由STORR基因调控。其中，吗啡仍然是一种迄今为止缓解剧烈疼痛的黄金标准止疼药，注射到人体内后经肝脏代谢后，大部分会产生无活性的吗啡-3-葡萄糖醛酸（M3G）和小部分有活性的吗啡-6-葡萄糖醛酸（M6G）。这种代谢涉及到尿苷5'-二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶（UGT），它催化葡萄糖醛酸部分添加到吗啡的C3或C6位置使其进行糖基化。

长春花系系夹竹桃科长春花属亚灌木，植株中所含多种生物碱，其中二聚吲哚生物碱抗癌作用尤为突出，代表成分长春碱具有治疗淋巴病等药用价值。长春碱能使细胞内纺锤丝微小管蛋白质变性，使纺缍丝的形成障碍，从而抑制细胞的有丝分裂，使细胞分裂停止于中期；此外也抑制DNA的合成和抑制RNA聚合酶，抑制RNA合成。同时，长春花中含有尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），它是葡萄糖的高能活性形式，也是合成葡萄糖苷的前体。长春花利用UDPG和外源化合物糖基转移酶，将糖基转移到含有-NH₂、-OH、-COOH等官能团的生物碱上，得到相应的糖苷和尿苷二磷酸（UDP），从而完成糖基化修饰。

4 药用植物黄酮类化合物中UGT的研究进展

黄酮类化合物是药用植物的有效成分之一，其在植物体内一般以黄酮苷的形式存在，其多样化合成依赖于UGT的催化作用。黄酮类物质具有抗氧化、抗炎抑菌、抗癌抗肿瘤、降血糖等广泛与重要的药效价值。

黄芩为唇形科黄芩属植物，黄酮和黄酮苷类物质是其主要成分，其干燥根中所含量最多。目前，已报道的黄酮7-O-葡萄糖转移酶（SbUBGT）、黄酮7-O-葡萄糖醛酸转移酶(SbUBGAT)、黄酮3-O-糖基转移酶(Sb3GT1)以及黄酮碳糖基转移酶SbCGTa/SbCGTb可能分别参与黄芩中黄酮葡萄糖苷、葡萄糖醛酸苷、黄酮醇苷以及黄酮碳苷类成分的生物合成。类黄酮2'-O-糖苷是罕见的糖苷，从黄芩中提取鉴定出的UGT71AP2是第一个类黄酮2'-O-糖基转移酶。它可以优先将糖基部分转移到至少九种类黄酮的2'-羟基中，从而产生六种新化合物。

葛根为豆科植物野葛，其叶片与根内发现22条假定的全长PlUGTs基因，其中只有PlUGT43在植物类黄酮C-糖基化类，经研究表明，PlUGT43具有将大豆苷元C-葡萄糖基化为葛根素的活性。同时，从葛根中分离出的一种新型异黄酮7-O-葡萄糖基转移酶PlUGT1，研究表明其能够高效将大豆苷元、染料木素转化成大豆苷、染料木苷。它对异黄酮底物具有较高的专一性，其活性明显高于作用类似的PlUGT13，同时PlUGT1基因的表达与大豆苷合成呈正相关，是催化异黄酮7-O-糖苷形成的关键酶分子。

5 UGT的挖掘与功能验证的研究进展

基于组学数据的生物信息学筛选是发现候选UGT的高效起点。研究者通常从目标药用植物的基因组或转录组数据出发，利用UGT家族高度保守的PSPG基序进行HMMER搜索或BLAST比对，从而初步鉴定出所有的UGT家族成员。为了进一步聚焦于参与特有活性成分合成的关键UGT，共表达分析成为一种强有力的筛选工具。例如，在三七在不同组织（主根、须根、茎、叶）及诱导条件下的转录组数据，筛选出与已知皂苷合成上游基因表达谱高度相关的UGT基因，能极大地提高筛选效率。

5.1 体外酶活与底物特异性验证

获得候选基因后，需通过体外重组表达获得其蛋白产物以进行生化功能验证。将候选UGT的编码序列在异源系统中表达，纯化得到重组蛋白。在含有糖基供体（如UDP-葡萄糖）和潜在底物（如萜类内酯、生物碱类或黄酮类）的体系中进行孵育，并利用LC-MS等技术检测糖基化产物的生成。值得注意的是，UGT普遍表现出底物混杂性，这是天然产物结构多样性的重要来源。因此，系统的底物选择性测试至关重要。以甘草中的三萜糖基转移酶GuUGT为例，研究发现它不仅能催化甘草次酸的糖基化，还能作用于其他几种三萜类化合物，尽管催化效率不同。这种底物宽泛性揭示了其在体内可能负责多步反应或多条并行路径，也为通过合成生物学手段“混合匹配”酶与底物以创造新衍生物提供了可能。

5.2 体内功能验证

体外酶活证实了催化潜力，但在植物体内环境下的功能仍需进一步确认。利用非生物胁迫处理（如重金属、干旱、低温等）是诱导植物次生代谢并间接验证UGT功能的常用策略。例如，番茄SlUGT75C1-like可相应盐胁迫、干旱胁迫及重金属胁迫。盐胁迫处理下SlUGT75C1-like基因表达量均呈现先上升后下降的趋势。在Cd胁迫处理下，SlUGT76E1基因在根和叶中的表达量均为先上升后下降的趋势，在Hg胁迫处理下，根中SlUGT76E1基因表达量随胁迫时间的增加而减少，而在叶中的表达量随着胁迫时间的延长先降低后上升。在Cu胁迫处理下，SlUGT76E1基因在根和叶中均为下降趋势。在Pb胁迫处理下，SlUGT76E1基因在根中的表达量呈现先上升后下降的趋势,而在叶中的表达趋势则相反。此外，在植物转化体系中进行基因过表达是更直接的验证策略，例如，15个SmUGT参与黄酮类化合物的糖苷化修饰，显著提高了丹酚酸B的含量，从增益功能的角度证实了该UGT在体内的作用。对于功能缺失性验证，CRISPR/Cas9介导的基因编辑能够提供最直接的证据。

5.3 蛋白结构模拟与催化机制阐释

为了在原子层面理解UGT的催化特性与底物选择性的分子基础，计算生物学方法发挥着日益重要的作用。通过同源建模可以构建出候选UGT的三维结构模型。进而，利用分子对接技术，将底物和糖基供体对接到蛋白的结合口袋中，可以预测关键的相互作用残基。

例如，对甘草糖基转移酶GuUGAT的结构模拟与机制研究发现，其特定残基通过与糖基供体UDP-葡萄糖形成氢键，在催化中扮演关键角色。随后的定点突变实验证实，将该残基突变为丙氨酸后，酶活性显著降低，从而验证了其预测功能。这项研究是整合计算模拟与生化实验以阐释UGT催化机制的典范。通过这样的研究，我们能够精准定位决定其底物特异性的“开关”残基，为后续的酶工程改造奠定坚实的理论基础。

综上所述，体内功能验证构成了一个从关联证据（胁迫诱导下的表达与代谢物同步变化）、到增益功能证据（过表达），再到决定性证据（基因敲除）的完整证据体系。这一多层次的研究策略，不仅能够无可争议地确认UGT在植物体内的真实生物学功能，还将研究视角从单纯的催化机制，拓展至其对环境胁迫的响应及其在次生代谢调控网络中的地位，为全面理解药用植物活性成分的合成与调控奠定了坚实的基础。

综上所述，本文系统总结了在各类药用植物特有活性成分生物合成中起关键作用的UGT酶的研究进展，涵盖了从基因挖掘、功能验证到催化机制研究的完整技术链条，并展望了其在酶工程与合成生物学中的应用潜力，但该领域仍存在诸多挑战，对于某些关键UGT研究仍是空白如：长春花、罂粟中，负责特定二聚吲哚生物碱（如长春碱）或苄基异喹啉生物碱（如罂粟中某些特定步骤）糖基化的关键UGT尚未被完全鉴定和功能验证。而对于已报道的UGT（如黄芩中的多个O-糖基转移酶和C-糖基转移酶）、含有多糖链的皂苷（如人参皂苷Rb1具有四糖链）其在完整生物合成网络中的精确分工与协同机制仍不清晰。展望未来，对药用植物UGT的研究将继续从“发现”走向“设计”与“再造”。通过深度融合结构生物学、计算生物学与合成生物学，我们有望实现对这些自然催化大师的完全驾驭，最终迈向按需设计、高效生产高价值天然药物及其衍生物的智能化生物制造新时代。

参考文献：

1. [1] Jung S C, Kim W, Park S C, et al. Two ginseng UDP-glycosyltransferases synthesize ginsenoside Rg3 and Rd[J].Plant and cell physiology,2014,55(12):2177-2188.
2. [2] 张婷婷,梁会超,巩婷,等.人参糖基转移酶PgUGT74AE2催化生成新型人参三醇皂苷研究[J].药学学报,2018,53(09):1565-1570.
3. [3] 侯茂奇.三七皂苷生物合成基因挖掘与糖基转移酶功能研究[D].上海中医药大学,2021.
4. [4] 徐国杰.甘草酸生物合成相关糖基转移酶的研究[D].北京中医药大学,2017.
5. [5] Seki H, Sawai S, Ohyama K, et al. Triterpene functional genomics in licorice for identification of CYP72A154 involved in the biosynthesis of glycyrrhizin[J].The plant cell,2011,23(11):4112-4123.
6. [6] 孙铭阳,徐世强,李静宇,等.UV-C处理穿心莲转录组分析及穿心莲内酯合成相关基因挖掘[J].南方农业学报,2022,53(03):618-627.
7. [7] Ma B, Liu X, Lu Y, et al. A specific UDP-glucosyltransferase catalyzes the formation of triptophenolide glucoside from Tripterygium wilfordii Hook. f.[J].Phytochemistry,2019,166:112062.
8. [9] 陈芳,常瑜,魏玉杰,等.罂粟生物碱合成关键酶STORR的基因克隆及其表达载体构建[J].智慧农业导刊,2023,3(15):73-76.
9. [10] Gabel F, Hovhannisyan V, Berkati A K, et al. Morphine-3-Glucuronide, physiology and behavior[J].Frontiers molecular neuroscience,2022,15:882443.
10. [11] 张思祺,徐思怡,林小伟,等.长春花生物碱药理活性及机制研究进展[J].中草药,2025,56(12):4490-4498.
11. [12] 钟其权,李海霞,徐文文,等.海南药用植物中黄酮成分开发利用研究进展[J].海峡药学,2018,30(08):17-20.
12. [13] 秦树森,唐桂兴.高效液相色谱法测定黄芩中黄酮的含量[J].亚太传统医药,2010,6(06):18-19.
13. [14] 韩搏云,王子龙,王双,等.黄芩中黄酮O-糖基转移酶的发现及功能表征[J].药学学报,2021,56(12):3345-3352.
14. [15] Wang Z, Du X, Ye G, et al. Functional characterization, structural basis, and protein engineering of a rare flavonoid 2'-O-glycosyltransferase from scutellaria baicalensis[J].Acta pharmaceutica sinica B,2024,14(08):3746-3759.
15. [16] Wang X, Li C, Zhou C, et al. Molecular characterization of the C-glucosylation for puerarin biosynthesis in Pueraria lobata[J].The plant journal,2017,90(03):535-546.
16. [17] Li J, Li Z, Li C, et al. Molecular cloning and characterization of an isoflavone 7-O-glucosyltransferase from Pueraria lobata[J].Plant cell reports,2014,33(07):1173-1185.
17. [18] 吕中睿,刘宏,张国昀,等.沙棘UGT基因家族的全基因组鉴定与表达分析[J].林业科学研究,2021,34(06):9-19.
18. [19] Tang Q Y, Chen G, Song W L, et al. Transcriptome analysis of Panax zingiberensis identifies genes encoding oleanolic acid glucuronosyltransferase involved in the biosynthesis of oleanane-type ginsenosides[J].Planta,2019,249(02):393-406.
19. [20] Osmani S A, Bak S, Moller B L. Substrate specificity of plant UDP-dependent glycosyltransferases predicted from crystal structures and homology modeling[J].Phytochemistry,2009,70(03):325-347.
20. [21] 李园园.糖基转移酶SlUGT75C1-like和SlUGT76E1参与番茄盐、干旱、Cd耐受性的研究[D].哈尔滨师范大学,2023.
21. [22] 邓宇星.丹参黄酮生物合成酶基因及miR828调控作用的分析[D].北京协和医学院,2018.
22. [23] Zhang Y, Guo W, Chen L, et al. CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis of GmUGT enhanced soybean resistance against leaf-chewing insects through flavonoids biosynthesis[J].Frontiers plant science,2022,13: 802716.
23. [24] He J B, Zhao P, Hu Z M, et al. Molecular and structural characterization of a promiscuous C-Glycosyltransferase from trollius chinensis[J].Angewandte chemie international edition,2019,58(33):11513-11520.