Plants have mechanisms to transport secondary metabolites from where they are biosynthesized to the sites where they function, or to sites such as the vacuole for detoxification. However, current research has mainly focused on metabolite biosynthesis and regulation, and little is known about their transport. Tanshinone, a class diterpenoid with medicinal properties, is biosynthesized in the periderm of Salvia miltiorrhiza roots. Here, we discovered that tanshinone can be transported out of peridermal cells and secreted into the soil environment and that the ABC transporter SmABCG1 is involved in the efflux of tanshinone ⅡA and tanshinone Ⅰ. The SmABCG1 gene is adjacent to the diterpene biosynthesis gene cluster in the S. miltiorrhiza genome. The temporal-spatial expression pattern of SmABCG1 is consistent with tanshinone accumulation profiles. SmABCG1 is located on the plasma membrane and preferentially accumulates in the peridermal cells of S. miltiorrhiza roots. Heterologous expression in Xenopus laevis oocytes demonstrated that SmABCG1 can export tanshinone ⅡA and tanshinone Ⅰ. CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of SmABCG1 in S. miltiorrhiza hairy roots resulted in a significant decrease in tanshinone contents in both hairy roots and the culture medium, whereas overexpression of this gene resulted in increased tanshinone contents. CYP76AH3 transcript levels increased in hairy roots overexpressing SmABCG1 and decreased in knockout lines, suggesting that SmABCG1 may affect the expression of CYP76AH3, indirectly regulating tanshinone biosynthesis. Finally, tanshinone ⅡA showed cytotoxicity to Arabidopsis roots. These findings offer new perspectives on plant diterpenoid transport and provide a new genetic tool for metabolic engineering and synthetic biology research.

Background: Polygonum capitatum Buch.-Ham. ex D. Don ( P. capitatum ), a traditional herb used in Miao medicine, is renowned for its heart-clearing properties. Davidiin, the primary bioactive component (approximately 1%), has been used to treat various conditions, including diabetes. Given its wide range of effects and the diverse biomolecular pathways involved in diabetes, there is a crucial need to study how davidiin interacts with these pathways to better understand its anti-diabetic properties. Materials and Methods: Diabetic rats were induced using a high-fat diet and streptozotocin (STZ) administered intraperitoneally at 35 mg/kg. Out of these, 24 rats with blood glucose levels ≥ 11.1 mmol/L and fasting blood glucose levels ≥ 7.0 mmol/L were selected for three experimental groups. These groups were then treated with either metformin (gavage, 140 mg/kg) or davidiin (gavage, 90 mg/kg) for four weeks. After the treatment period, we measured body weight, blood glucose levels, and conducted untargeted metabolic profiling using UPLC-QTOF-MS. Results: Davidiin has been shown to effectively treat diabetes by reducing blood glucose levels from 30.2 ± 2.6 mmol/L to 25.1 ± 2.4 mmol/L (P < 0.05). This effect appears stronger than that of metformin, which lowered glucose levels to 26.5 ± 2.6 mmol/L. The primary outcomes of serum metabolomics are significant changes in lipid and lipid-like molecular profiles. Firstly, davidiin may affect phosphatide metabolism by increasing levels of phosphatidylinositol and sphingosine-1-phosphate. Secondly, davidiin could influence cholesterol metabolism by reducing levels of glycocholic acid and glycochenodeoxycholic acid. Lastly, davidiin might impact steroid hormone metabolism by increasing hepoxilin B3 levels and decreasing prostaglandins. Conclusion: Our study demonstrates that davidiin modulates various lipid-related metabolic pathways to exert its anti-diabetic effects. These findings offer the first detailed metabolic profile of davidiin's action mechanism, contributing valuable insights to the field of Traditional Chinese Medicine in the context of diabetes treatment. Keywords: diabetes mellitus, streptozotocin, metformin, davidiin, metabolomics