水楊酸(SA)是柳樹皮中古老的消炎成分、藥物阿司匹林的前體，更是植物對(duì)抗病原體的核心防御激素。其生物合成途徑一直是植物科學(xué)領(lǐng)域的重大謎題。

　　7月23日，四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張躍林教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖期刊Nature發(fā)表題為“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條全新的水楊酸合成通路“PAL/BSH途徑”，并證明該通路在種子植物中廣泛存在且高度保守。四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉亞楠副研究員和英屬哥倫比亞大學(xué)徐璐博士為論文共同第一作者，張躍林教授為通訊作者。四川大學(xué)張陽(yáng)教授和英屬哥倫比亞大學(xué)李昕教授對(duì)該研究提出了重要建議和幫助。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。論文中涉及的水楊酸及其前體等化合物測(cè)試主要在四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院質(zhì)譜平臺(tái)王晞華博士幫助下完成。

　　植物合成SA主要依賴兩條路徑：異分支酸合成酶(ICS)途徑和苯丙氨酸解氨酶(PAL)途徑。以模式植物擬南芥為研究對(duì)象，ICS途徑的合成機(jī)制已得到完整解析。近年來的證據(jù)表明，PAL途徑在十字花科以外植物病原物誘導(dǎo)SA合成中同樣扮演關(guān)鍵角色，但目前針對(duì)該途徑的SA合成機(jī)制尚不清楚。盡管早期的研究利同位素標(biāo)記的方法，發(fā)現(xiàn)苯甲酸(BA)是PAL途徑的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，但將BA轉(zhuǎn)化為SA的苯甲酸2-羥化酶(BA2H)數(shù)十年來一直未被發(fā)現(xiàn)，成為領(lǐng)域內(nèi)懸而未決的難題。

　　張躍林團(tuán)隊(duì)采用多學(xué)科攻堅(jiān)策略，結(jié)合化學(xué)遺傳篩選、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、CRISPR基因編輯及精準(zhǔn)代謝分析，在本氏煙草中成功捕捉到PAL途徑的全貌。研究揭示了一條意想不到的三步酶促反應(yīng)(圖1)：(1)酯化啟動(dòng)：苯甲酰輔酶A:苯甲醇苯甲酰轉(zhuǎn)移酶(BEBT)催化苯甲酰輔酶A與苯甲醇結(jié)合，生成苯甲酸芐酯。(2)羥基化轉(zhuǎn)化：苯甲酸芐酯氧化酶(BBO)對(duì)苯甲酸芐酯進(jìn)行羥基化，生成水楊酸芐酯。(3)水解釋放：水楊酸芐酯水解酶(BSH)裂解水楊酸芐酯，最終釋放出水楊酸(SA)。

新鑒定的植物中水楊酸(SA)生物合成途徑模型

　　團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)發(fā)育分析、跨物種互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)(如水稻突變體驗(yàn)證)及病原體侵染測(cè)試證實(shí)，這條新發(fā)現(xiàn)的“PAL/BSH途徑”在水稻、大豆等主要作物及柳樹、楊樹等多種種子植物中普遍存在且功能保守。該發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了此前對(duì)PAL途徑的初級(jí)假設(shè)，明確其在非十字花科植物中承擔(dān)著SA合成的主要職責(zé)，解決了困擾學(xué)界數(shù)十年的關(guān)鍵問題。

　　此項(xiàng)研究不僅完善了植物抗病激素SA的生物合成版圖，為解析不同植物類群(特別是主要糧食作物)的抗病機(jī)制差異提供了分子基礎(chǔ)，更開辟了作物抗病育種的新方向。BEBT、BBO、BSH三個(gè)關(guān)鍵酶可作為抗病設(shè)計(jì)新靶點(diǎn)，通過基因編輯或調(diào)控其表達(dá)水平，精準(zhǔn)增強(qiáng)作物的SA合成能力及抗病性。此外，該研究深化了對(duì)植物SA代謝的認(rèn)識(shí)，有助于優(yōu)化藥用植物中水楊酸類活性成分的生產(chǎn)。