深度科学| 背靠背三篇Nature：水杨酸！

编者语：

“相信很多化学er大学时《有机化学实验》应该都用到了：“水杨酸”作为原料合成阿司匹林，都讲到对它最初的认识来自于柳树，几千年过去了，它依旧闪亮。”

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水杨酸简介

水杨酸（salicylic acid，SA；分子式：HOC6H4COOH）是柳树皮中的活性成分，数百年来一直被用于消炎和止痛。水杨酸是一种无色（或白色）、味苦的固体，其名称源自拉丁语salix，意为柳树。人类历史上使用广泛的药物阿司匹林（Aspirin）便是水杨酸的一种乙酰化衍生物，即乙酰水杨酸。与其他羟基酸类似，水杨酸是许多护肤产品的成分，用于治疗脂溢性皮炎、痤疮、牛皮癣、老茧、鸡眼、毛发角化病、黑棘皮症、鱼鳞病和疣（Journal of the American Academy of Dermatology, 2014, 70 (4): 788-792.）。水杨酸可通过Kolbe-Schmitt反应化学合成(图1），在高压（100 bar）和高温（115 °C）下用二氧化碳处理苯酚钠（苯酚的钠盐）来制备，用硫酸酸化产物可得到水杨酸：

图1. 水杨酸的化学合成

同时，SA也是一种关键的植物防御性激素，在植物抵御微生物侵染的过程中至关重要。在生物合成合成方面，水杨酸由氨基酸苯丙氨酸生物合成。在拟南芥中，它可以通过不依赖苯丙氨酸的途径合成，但其具体合成路径仍然不清楚。因此，植物体内SA的生物合成途径受到了广泛关注。

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研究进展

1.植物中苯甲酰辅酶A三步生物合成水杨酸

四川大学&加拿大英属哥伦比亚大学张跃林团队论文“Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants”揭示了种子植物中一种保守的SA生物合成途径。团队采用了多学科方法组合，包括基于EMS诱变的正向遗传筛选、转录组学、CRISPR基因编辑、体内外酶活性测定以及植物体内代谢物分析等，在本氏烟草中鉴定出了PAL途径中SA生物合成的三个关键酶和步骤（图5）：（1）苯甲酰辅酶A和苯甲醇在苯甲酰辅酶A：苯甲醇苯甲酰转移酶BEBT的催化下发生酯化反应，生成苯甲酸苄酯；（2）苯甲酸苄酯氧化酶BBO继而对苯甲酸苄酯进行羟基化，产生水杨酸苄酯；（3）水杨酸苄酯水解酶BSH裂解水杨酸苄酯，从而生成水杨酸（SA）。通过在水稻、大豆等主要作物及柳树、杨树等多种种子植物中验证，这条新鉴定的途径不同于先前基于相对初级的酶学证据所假设的PAL途径。作者将这条新发现的途径命名为“PAL/BSH途径”，这一发现解决了一个长期存在的关于非十字花科植物中SA生物合成的问题，揭示出在十字花科以外的大多数植物中，这条途径（而非ICS途径）才是SA生物合成的主要路线（图2）。这项工作也为研究SA在不同物种间的作用奠定了重要基础。

图2. 柳树、杨树、大豆、水稻和本氏烟草中已鉴定的SA生物合成途径的保守性

值得一提的是，该团队曾在2019年于Science上报道了拟南芥中SA的主要生物合成途径-ICS途径中的最后关键一环，即氨基转移酶PBS3催化异分支酸和谷氨酸生成一种之前未知的化合物异分支酸-谷氨酸加合物(IC-9-Glu)，而后者非常不稳定，可自发分解生成SA（Science, 2019, 365(6452), 498-502.）。

2.植物中苯丙氨酸衍生的水杨酸生物合成

浙江大学潘荣辉和范鹏祥团队论文“Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants”，打破了水杨酸合成中被长期广泛接受的苯甲酸羟化酶假设。

该研究揭示了水稻中从苯甲酰辅酶A到水杨酸的酯化-羟化-水解（BEBT-BBH-BSE）三步酶联反应模块（图3），首次打通了水稻水杨酸合成途径，并且通过实验证明该模块在其他农作物中也是广泛保守的。鉴定出三个关键酶：

（1）过氧化物酶体中的苯甲酰-CoA：苄醇苯甲酰转移酶（BEBT），催化苯甲酰-CoA生成苯甲酸苄酯；

（2）内质网相关的细胞色素P450酶（苯甲酸苄酯羟化酶，BBH），将苯甲酸苄酯羟基化生成水杨酸苄酯；

（3）胞质中的水杨酸苄酯酯酶（BSE），最终将水杨酸苄酯水解生成水杨酸。

这一三酶模块不仅在水稻中介导病原诱导下的SA合成，其表达模式与功能在多种植物中亦高度保守。本研究填补了植物防御激素SA合成机制中的关键空白，为构建抗病作物的全新策略奠定了理论基础。

图3. BEBT–BBH–BSE模块在植物SA生物合成中是保守的

3.植物中苯丙氨酸完全生物合成水杨酸

浙江师范大学张艳军&张可伟、美国布鲁克海文国家实验室刘长军团队论文“Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants”，通过对水稻（Oryza sativa）中四个水杨酸缺陷基因（SA-DEFICIENT GENE，OSD1-OSD4）的功能分析，首次完整解析了PAL途径中SA的生物合成过程（图4）。具体而言：

（1）OSD1 编码的肉桂酰辅酶A（cinnamoyl-CoA）合成酶催化反式肉桂酸转化为肉桂酰-CoA；该产物在过氧化物酶体中经由β-氧化途径转化为苯甲酰-CoA；

（2）随后，过氧化物酶体中由苯甲酰转移酶 OSD2 将苯甲酰-CoA转化为苯甲酸苄酯；该中间体再由位于内质网膜上的细胞色素P450酶 OSD3 催化羟基化为水杨酸苄酯；

（3）最终，由胞质中的羧酸酯酶 OSD4 将其水解生成水杨酸。

进化分析表明，PAL途径早在裸子植物分化之前就已建立，并在多数种子植物中得以保留。在水稻中激活PAL途径显著提高了水杨酸水平和植物免疫力。本研究的完成不仅填补了SA合成路径中的关键空白，也为理解不同植物中SA的主导合成机制提供了重要线索，并为精准调控农作物免疫力提供了新靶点。

图4.PAL依赖的SA生物合成的完整路径

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水杨酸的发现历史

早在公元前约1500-3000年，古苏美尔人(Sumerians)和古埃及人(Egyptians)就开始利用白柳(Salix alba)治来治疗“疼痛性肠梗阻”、避孕、“吐血者”、去除老茧和鸡眼，以及作为“痛风暖敷”。同时，在欧洲和中国，人们用它来治疗这些疾病，埃及、苏美尔和亚述的文献中都提到了这种疗法。中国《神农本草经》将柳枝、叶、根分别归类，用于祛痰明目与解毒（柳叶，治马疥痂疮。柳实，溃痈，逐脓血）；明代的李时珍在《本草纲目》中细化了柳叶煎汤治疗丹毒的工艺（小儿丹毒，用柳叶一斤，加水一斗，煮取汁三升， 洗患处），与现代水杨酸的提取原理有一定的相似之处。古埃及医学著作《Eberspapyrus》记录柳树（Willow，图5）可以作为消炎（Anti-inflammatory）和镇痛（Pain reliever）的药物，来治疗广谱的疼痛和不适。公元前约400年左右，古希腊名医希波克拉底（Hippocrates）将柳树叶泡茶来缓解孕妇生产时的痛苦。William Turner在1597年重复了这一说法，称柳树皮“烧成灰烬，浸泡在醋中，可以去除脚和脚趾上的鸡眼和其他类似的肿块。1763年，来自英国牧师Edward Stone报告称，柳树皮具有退烧功效。

图5. 柳树

1828年，德国化学家Johann Andreas Buchner成功从柳树中分离出了其活性成分，一种尝起来苦味的黄色晶体，并根据柳树的拉丁名Salix alba，命名为Salicin（水杨苷，水解后可以得到水杨醇，氧化后生成水杨酸），1829年，法国化学家Henri Leroux分离出了大量这种物质。意大利化学家Raffaele Piria将该物质转化为一种糖和另一种成分，后者经氧化后变成水杨酸，所以很长一段时间Salicin曾是合成水杨酸类药物的主要来源。1830年，瑞士化学家Johann Pagenstecher从绣线菊（Filipendula ulmaria）中也提取到了Salicin，随后德国研究者Karl Jacob Löwig也成功从该植物中分离出了Salicin。他们的提取物会引起消化问题，例如胃部刺激、出血、腹泻，大剂量服用甚至会导致死亡。1838年意大利化学家Raffaele Piria通过化学方法用水杨苷制得了一种无色针状晶体，并将其命名为Salicylic acid（水杨酸），这是有记录的人们第一次获得纯化的水杨酸。1853年，法国化学家Charles Frédéric Gerhardt确定了水杨酸的化学式，并首次化学合成了乙酰基水杨酸。19世纪下半叶，其他一些化学家设计出了更高效的合成方法。

1874年，苏格兰医生Thomas MacLagan尝试用水杨苷治疗急性风湿病，并取得了显著成功，这发表于1876年的《柳叶刀》杂志（The Lancet, 1876, 108, 2774.）。与此同时，德国科学家尝试使用水杨酸钠，但效果较差，副作用也更为严重。1897年，德国化学家Felix Hoffmann在染料和药物公司拜尔（Bayer）工作期间，在水杨酸上添加一个乙酰基(Acetyl group)可以改善对胃的刺激性副作用，随后拜尔公司对这项研究申请了专利。Bayer将乙酰基水杨酸命名为阿司匹林（Aspirin），其中A代表乙酰基Acetyl，spir代表植物Spiraea ulmaria，in则是当时药物普遍使用的后缀名。在随后的几十年里，阿司匹林被进行了一系列临床试验，并一度成为了世界上使用最广的药物之一。虽然阿司匹林会对肠胃有一些刺激性副作用，它依然是目前治疗心血管疾病的常用药物。

注意：阿司匹林合成后，Hoffmann想改造吗啡，以生成一种成瘾性较低的止咳药物可待因，却合成了二乙酰吗啡（海洛因，图6），当时被拜尔公司以不会成瘾的止咳药出售(1898-1910年)，极为畅销。口服后，海洛因经过代谢，脱去乙酰基，转化为吗啡，效果及风险与口服吗啡相同，而拜尔公司试图隐瞒，一度名誉扫地。

图6. 吗啡、可待因和海洛因的化学结构（识毒、防毒、拒毒）

1979年，研究发现水杨酸盐参与了烟草对抗烟草花叶病毒的诱导防御（Plant Physiology. 1992, 99(3), 799-803.）。1987年，水杨酸被鉴定为人们长期寻找的导致产热植物（如巫毒百合，Sauromatum guttatum）产生热量的信号（Science, 1987, 237 (4822), 1601-1602.）。水杨酸是一种酚类植物激素，在植物中发挥作用，参与植物的生长发育、光合作用、蒸腾作用以及离子的吸收和运输。水杨酸参与内源信号传导，介导植物防御病原体。它通过诱导致病相关蛋白质和其他防御性代谢物的产生，在抵抗病原体（即系统获得性抗性）中发挥作用。植物体内的水杨酸由分支酸（chorismate）通过两条独立途径合成：一条是异分支酸合成酶（Isochorismate Synthase, ICS）合成途径，另外一条是苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase, PAL）合成途径（图7）。在ICS途径中：质体中的ICS将分支酸（CA）转化为异分支酸（IC）；IC由MATE转运蛋白EDS5转运至细胞质；之后，PBS3将IC转化为异分支酸-9-谷氨酸（IC-9-Glu）；IC-9-Glu可自发或被EPS1降解生成SA。在PAL途径中： PALs将苯丙氨酸（Phe）转化为反式肉桂酸（trans-CA）；trans-CA通过AIM1介导的β-氧化途径（β-oxidation）进一步转化为苯甲酸（BA）。随后，BA通过一种尚未鉴定的苯甲酸2-羟化酶的作用产生水杨酸（SA）。

图7. 植物中已知的水杨酸（SA）合成途径

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总结

三篇重磅研究论文同期,《Nature》配发了一篇题为“Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid”的“News & Views”评论文章，由植物生物学领域专家Jiyeon Hyun与Heejin Yoo撰写。

评论中指出，这三项独立研究共同填补了植物水杨酸PAL途径中缺失已久的关键步骤，揭示了从苯甲酰辅酶A到水杨酸的完整三步反应，不仅破解了横跨多个物种的免疫代谢谜团，也推翻了长期以来“苯甲酸直接羟化生成水杨酸”的假设模型。

评论强调，三篇论文采用互补的物种和策略，却不约而同地识别出同一三酶模块，凸显其进化保守性与功能通用性。

此外，作者也提出了新的科学问题，如该通路在细胞器间的动态协同机制、与系统性获得性抗性（SAR）的整合方式等，呼吁未来深入探索。

图8. 植物用来制造水杨酸的途径

参考文献：

1. Dmitrij Rekhter, Daniel Lüdke, Yuli Ding, Kirstin Feussner, Krzysztof Zienkiewicz, Volker Lipka, Marcel Wierme, Yuelin Zhang, & Ivo Feussner, Isochorismate-derived biosynthesis of the plant stress hormone salicylic acid, Science, 2019, 365(6452), 498-502.

2. Yanan Liu, Lu Xu, Mingsong Wu, Jingjie Wang, Dan Qiu, Jiameng Lan, Junxing Lu, Yang Zhang, Xin Li & Yuelin Zhang, Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09185-7.

3. Yukang Wang, Shuyan Song, Wenxuan Zhang, Qianwen Deng, Yanlei Feng, Mei Tao, Mengna Kang, Qi Zhang, Lijia Yang, Xinyu Wang, Changan Zhu, Xiaowen Wang, Wanxin Zhu, Yixiao Zhu, Pengfei Cao, Jia Chen, Jinheng Pan, Shan Feng, Xianyan Chen, Huaxin Dai, Shiyong Song, Jinghua Yang, Tianlun Zhao, Fangbin Cao, Zeng Tao, Xingxing Shen, Robert L. Last, Jianping Hu, Jingquan Yu, Pengxiang Fan & Ronghui Pan, Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09280-9.

4. Bao Zhu, Yanjun Zhang, Rong Gao, Zhihua Wu, Wei Zhang, Chao Zhang, Penghong Zhang, Can Ye, Linbo Yao, Ying Jin, Hui Mao, Peiyao Tou, Peng Huang, Jiangzhe Zhao, Qiao Zhao, Chang-Jun Liu & Kewei Zhang, Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09175-9.

5. Jiyeon Hyun & Heejin Yoo, Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/d41586-025-02131-7.

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