Nature | 四川大学张跃林团队揭示阿司匹林药用成分水杨酸的完整生物合成机制

导读

水杨酸（SA）是柳树皮中古老的消炎成分、药物阿司匹林的前体，更是植物对抗病原体的核心防御激素。其生物合成途径一直是植物科学领域的重大谜题。7月23日，四川大学生命科学学院张跃林教授团队在国际顶尖期刊Nature发表题为“Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants”的突破性研究，首次完整解析植物中一条全新的水杨酸合成通路“PAL/BSH途径”，并证明该通路在种子植物中广泛存在且高度保守。四川大学生命科学学院刘亚楠副研究员和英属哥伦比亚大学徐璐博士为论文共同第一作者，张跃林教授为通讯作者。四川大学张阳教授和英属哥伦比亚大学李昕教授对该研究提出了重要建议和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等项目资助。论文中涉及的水杨酸及其前体等化合物测试主要在四川大学生命科学学院质谱平台王晞华博士帮助下完成。

植物合成SA主要依赖两条路径：异分支酸合成酶（ICS）途径和苯丙氨酸解氨酶（PAL）途径。以模式植物拟南芥为研究对象，ICS途径的合成机制已得到完整解析。近年来的证据表明，PAL途径在十字花科以外植物病原物诱导SA合成中同样扮演关键角色，但目前针对该途径的SA合成机制尚不清楚。尽管早期的研究利同位素标记的方法，发现苯甲酸（BA）是PAL途径的关键中间产物，但将BA转化为SA的苯甲酸2-羟化酶（BA2H）数十年来一直未被发现，成为领域内悬而未决的难题。

张跃林团队采用多学科攻坚策略，结合化学遗传筛选、转录组学、CRISPR基因编辑及精准代谢分析，在本氏烟草中成功捕捉到PAL途径的全貌。研究揭示了一条意想不到的三步酶促反应（图1）：（1）酯化启动：苯甲酰辅酶A:苯甲醇苯甲酰转移酶（BEBT）催化苯甲酰辅酶A与苯甲醇结合，生成苯甲酸苄酯。（2）羟基化转化：苯甲酸苄酯氧化酶（BBO）对苯甲酸苄酯进行羟基化，生成水杨酸苄酯。（3）水解释放：水杨酸苄酯水解酶（BSH）裂解水杨酸苄酯，最终释放出水杨酸（SA）。

图1：新鉴定的植物中水杨酸（SA）生物合成途径模型

PALs将苯丙氨酸（Phe）转化为反式肉桂酸（t-CA），之后经过CNL、CHD和KAT参与的β-氧化途径（阴影标注）生成苯甲酰辅酶A（benzoyl-CoA）。BEBT催化苯甲酰辅酶A和苯甲醇（benzyl alcohol）发生酯化反应，生成苯甲酸苄酯（benzyl benzoate）；苯甲酸苄酯经BBO催化发生羟基化，产生水杨酸苄酯(benzyl salicylate)；最后， BSH裂解水杨酸苄酯，生成水杨酸（SA）。

团队通过系统发育分析、跨物种互补实验（如水稻突变体验证）及病原体侵染测试证实，这条新发现的“PAL/BSH途径”在水稻、大豆等主要作物及柳树、杨树等多种种子植物中普遍存在且功能保守。该发现彻底颠覆了此前对PAL途径的初级假设，明确其在非十字花科植物中承担着SA合成的主要职责，解决了困扰学界数十年的关键问题。

此项研究不仅完善了植物抗病激素SA的生物合成版图，为解析不同植物类群（特别是主要粮食作物）的抗病机制差异提供了分子基础，更开辟了作物抗病育种的新方向。BEBT、BBO、BSH三个关键酶可作为抗病设计新靶点，通过基因编辑或调控其表达水平，精准增强作物的SA合成能力及抗病性。此外，该研究深化了对植物SA代谢的认识，有助于优化药用植物中水杨酸类活性成分的生产。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09185-7

来源：四川大学