华中农业大学最新《PNAS》

近日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室、植物科学技术学院Kenichi Tsuda教授团队在PNAS期刊上发表题为Emergence of isochorismate-based salicylic acid biosynthesis within Brassicales的研究论文，揭示了植物中基于异分支酸的水杨酸生物合成途径起源于十字花目，并明确了该途径在进化过程中的关键适应性进化机制。

水杨酸（Salicylic acid, SA）作为关键的植物防御激素，在模式植物拟南芥中的生物合成主要依赖于异分支酸（Isochorismate, IC）途径：首先，异分支酸合成酶ICS1在叶绿体内将分支酸催化生成异分支酸，后者由叶绿体膜定位的MATE转运蛋白EDS5转运至细胞质，进而在GH3酰基腺苷化酶PBS3的催化下，与谷氨酸结合形成IC-9-Glu，最终转化生成SA。尽管IC途径解析已久，但其进化轨迹尚不十分清楚：植物界中ICS、EDS5及PBS3的同源基因广泛存在，但它们的功能是否保守？还是经历了谱系特异性演化？该途径又是在何时以及通过何种分子机制形成一个功能性整体？这些是理解植物免疫系统多样性与进化驱动力和轨迹的核心问题。

图1 IC途径在十字花目植物的进化轨迹

本研究结合系统发育、结构模拟与功能实验证据，揭示了有功能化的水杨酸IC合成途径源自十字花目，而且发现IC途径出现的时间位于番木瓜（Carica papaya）和刺山柑（Capparis spinosa）物种分化之间。同时，该途径的进化由三个关键的适应性事件驱动：（1）ICS活性位点处盐桥网络的强化提升了其催化活性；（2）EDS5祖先基因复制后进而在蛋白C-lobe区域出现关键氨基酸替换，实现新功能化；（3）具有识别并结合异分支酸功能活性的PBS3仅出现于特定十字花目类群中。该工作对理解植物免疫系统进化提出了深刻见解，并为非成簇（non-cluster）代谢通路的协同进化机制研究提供了范例。

华中农业大学博士后洪坤奇为论文第一作者，Kenichi Tsuda教授为论文通讯作者。已出站博士后Masahito Nakano，已毕业硕士生唐颖、何静静，博士研究生康文尚、姜婉清和黄瑞冬等共同参与了此项研究。复旦大学Motoyuki Hattori教授，美国明尼苏达大学Fumiaki Katagiri教授，德国马普所Hirofumi Nakagami教授，日本国立遗传学研究所Kenji Fukushima教授，南京农业大学王一鸣教授，以及华中农业大学李霞教授、郭亮教授、谢卡斌教授、李博教授和韩晓伟教授等为本研究提供了宝贵意见和大力支持。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2506170122