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虫草素(cordycepin)发现于二战后寻找新型抗生素的黄金时期，化学名为3-脱氧腺苷（3-deoxyadenosine），是第一个从真菌中分离出来的核苷类抗生素。由于其具有抑菌、抗肿瘤、抗炎症等广谱的生物学活性，六十多年来在药物化学领域的研究一直非常活跃。但因为其生物合成途径未知，化学合成又不能规模化生产，所以目前市场上的虫草素主要是通过人工培养蛹虫草（Cordyceps militaris）获得。但无论是液体发酵还是固体培养，蛹虫草产生虫草素的效价均不高，导致其市场价格很高，严重制约了对虫草素的进一步研究和开发利用。 2011年，我们实验室完成了对蛹虫草的全基因组测序及数据分析工作，为利用现代生物学技术，从分子水平阐明虫草素的生物合成途径奠定了坚实的基础。而虫草素在模式真菌构巢曲霉(Aspergillus nidulans)中的发现，使我们得以利用比较基因组分析，直接地找出调控虫草素生物合成的潜在基因簇，基因注释显示该基因簇包括4个蛋白编码基因。随后综合利用基因敲除、异体表达和代谢分析等技术手段，对基因簇中的各基因进行功能分析，证明仅需其中的两个基因，分别编码磷酸水解酶(phosphohydrolase)的cpB和编码氧化还原酶(oxidordeuctase)的cpA就足以完成虫草素的合成，且蛹虫草中存在与cpB基因功能部分冗余的其它基因。结合当前最新的生化反应机制，我们阐明了潜在的虫草素完整生物合成途径。进一步通过对蛹虫草野生菌株和虫草素合成基因敲除突变株的培养比较，发现在不同培养条件下，虫草素能否合成对蛹虫草的生长发育均没有明显影响。 与此同时，通过对虫草素合成基因簇在蛹虫草和构巢曲霉中的比较分析，发现其不仅在碱基序列上高度保守，而且4个基因在各自基因簇上的大小、方向、组织排列方式都高度一致，这与蛹虫草和构巢曲霉两个物种分属于不同的纲、较远的亲缘进化关系相矛盾。运用进化树分析法（Phylogenetic inference），结果表明该基因簇曾经在蛹虫草和构巢曲霉之间发生了水平转移，而且很可能是从构巢曲霉水平转移到蛹虫草中。 虫草素通过对不同靶向分子的作用行使多样的药理活性，而蛹虫草如何避免虫草素对自身靶向分子的作用以免造成自我伤害一直未知。通过对蛹虫草野生菌株和敲除突变株细胞内代谢产物的比较分析，我们在蛹虫草中首次发现了3-脱氧肌苷（3-deoxyinosine），一个虫草素脱氨基后失去药理活性的代谢产物。结合随后cpA和cpB基因编码蛋白定位于细胞内脂滴上的试验结果，为阐明蛹虫草避免虫草素自我毒性的潜在保护机制提供了科学证据。 总之，通过本研究的工作，我们找到了直接调控虫草素生物合成的基因，综合运用基因敲除、异体表达以及代谢分析等技术手段，阐明了虫草素在蛹虫草中的生物合成途径，揭示了蛹虫草避免虫草素自我毒性的潜在保护机制。此外，通过对虫草素合成基因簇的进化分析，推测了蛹虫草中虫草素合成基因簇的起源等。本论文的研究成果为进一步推动虫草素的生物学功能及医药活性研究奠定了良好的基础。