Zhejiang Normal University

当地时间7月23日，Nature最新一期刊发浙江师范大学生命科学学院张可伟教授团队的最新研究成果“Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants”。该成果首次完整阐述了水稻苯丙氨酸解氨酶（PAL）依赖的水杨酸（SA）生物合成途径，关键酶的亚细胞定位和分子进化。为利用分子育种技术培育作物抗病新品种提供了重要基因靶标。 该成果由浙江师范大学联合美国布鲁克海文国家实验室、中国科学院深圳先进技术研究院等单位共同完成，其中，浙江师范大学为论文第一作者、通讯作者单位。此次研究是浙江师范大学首次以第一完成单位在顶尖期刊Nature发表科研成果，展现了学校在生命科学领域的科研实力和国际影响力。 数千年前，柳树皮中的水杨酸（SA）类物质，就已经开始在帮助人类对抗疼痛、发热、风湿等疾病。18世纪末德国科学家通过改造SA的结构发明了传奇“神药”阿司匹林。SA也是植物应对生物胁迫和非生物胁迫的关键激素。植物合成SA有两条主要路径：异分支酸合酶（ICS）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）依赖的SA合成途径。ICS参与SA合成途径最早在2001年被报道，并在2019年率先在拟南芥中被完整解析，但是其在非十字花科植物中的保守功能存在质疑。PAL依赖途径参与SA合成的证据早在上个世纪60年代被报道，尽管发现其在许多植物抗病中发挥作用，但是代谢路径尚不清楚。其核心反应——苯甲酸（BA）转化为SA，一直被认为由烟草P450蛋白酶（苯甲酸-2羟基化酶，BA2H）催化，但相关编码基因却始终未被克隆，成为植物SA合成领域的核心科学难题。 水稻是我国半数以上人口的主粮作物和单子叶模式植物，具有独特的SA代谢特性：基础SA水平非常高，是模式植物拟南芥的数十倍之多，含量相对稳定，受病原侵染后SA水平无明显升高。前期研究表明，水稻SA合成主要依赖PAL途径而非ICS途径。因此，水稻是一种研究植物PAL依赖SA合成途径的理想遗传学材料。 本研究基于一种对SA敏感的生物化学发光系统建立水稻低SA突变体筛选体系，通过EMS诱变获得了SA降低至野生型10%以下的水稻突变体osd1，利用图位克隆和重测序技术相结合的方法克隆到OSD1（Oryza sativaSA Deficientmutant 1）基因，其编码肉桂酸辅酶A连接酶，通过对OSD1的共表达基因的筛选和突变体验证，鉴定到参与PAL依赖SA生物合成过程中的关键成员OSD2、OSD3和OSD4，其突变体的内源SA含量极端下降，且表现对白叶枯病原菌敏感的表型。 在获得以上遗传学材料基础上，将PAL依赖SA生物合成过程分解为由肉桂酸（CA）合成BA-CoA的β-氧化过程以及由BA-CoA合成SA的两个生化过程，进一步通过分子生物学、生物化学等方法阐明SA 代谢路径。结果表明：在过氧化物酶体中，肉桂酸经（CA）β-氧化途径，由肉桂酰辅酶A连接酶OSD1、肉桂酰辅酶A氢化酶/脱氢酶AIM1、3-酮脂酰辅酶A硫解酶OsKAT1/KAT2酶的依次催化下生成BA-CoA；随后，BA-CoA在苯甲酰转移酶OSD2的作用下生成苯甲酸苄酯（BB），BB从过氧化物酶体转运到细胞质中，经在内质网定位的BB 2-羟化酶（BB2H）OSD3催化生成水杨酸苄酯(BS)，最后在胞质中由BS水解酶(BSH) OSD4催化生成SA（图1）。值得注意的是，本研究揭示了BA不能直接转化生成SA，而是由β-氧化产物BA-CoA 与苯甲醇反应生成苯甲酸苄酯（BB），再通过BB 2-羟基化酶(BB2H OSD3)催化生成水杨酸苄酯(BS)，最后通过BS水解酶（BSH）水解生成SA。以上发现颠覆了1962年在nature提出SA由BA催化合成以及1995年在PNAS提出的BA2H催化BA合成SA的传统认知。 PAL依赖的SA生物合成的完整路径 为了解该代谢路径在不同物种的保守性，该研究从低等水生植物红藻到高等陆生植物单双子叶植物选取25种代表不同进化阶段植物的基因组数据，对PAL依赖的SA生物合成的关键酶进行分子进化分析，结果表明：参与合成BA-CoA的β-氧化途径成员OSD1-AIM1-OsKAT1/KAT2中的AIM1最早出现在红藻门植物中，而完整的β-氧化途径则在绿藻门植物中首次完成组装。值得注意的是，在陆生植物分化后，OSD1在一些早期陆生植物中丢失。OSD3最早出现在石松门植物卷柏中，且在大多数维管植物中保守。相比之下，OSD2和OSD4同源基因则首次出现在裸子植物银杏中，并在大多数种子植物中保守。有意思的是，十字花科植物拟南芥中缺少OSD3和OSD4的同源基因，暗示十字花科植物不存在完整的PAL依赖的SA合成途径。进一步利用13C6-Phe饲喂不同进化程度的代表物种，结果显示：在绿藻、苔藓和卷柏等植物中没有检测到13C6-SA和/或13C6-SAG，从裸子植物银杏和松树开始到高等植物，除了拟南芥和油菜外均检测到13C6-SA和/或13C6-SAG。进一步在双子叶植物烟草和单子叶植物玉米中敲除相关基因，均发现SA含量显著下降。以上结果说明PAL依赖的SA合成途径的关键酶成员在植物中是逐步进化的，在裸子植物中率先组装完整的合成通路，这一代谢途径在大多数种子植物中保守，是一种古老的SA合成途径。然而，PAL依赖的SA合成途径可能在拟南芥和油菜等十字花科植物中并不存在，推测十字花科植物在进化过程中丢失了PAL依赖的SA合成途径，但是上帝为它关上一扇门却又为它打开了一扇门，十字花科植物同时获得了一个ICS依赖的SA合成途径。这一假设有待进一步证实。 PAL依赖SA合成途径的关键酶在种子植物中高度保守 综上所述，本研究首次完整绘制了PAL依赖的SA生物合成途径，攻克了一个存在长达60多年的科学难题。分子进化分析表明PAL依赖的SA合成途径在种子植物中高度保守，对于解析其他作物SA合成途径和抗病分子育种中具有重要价值。 浙师张可伟团队 浙江师范大学生命科学学院张可伟教授、张艳军副教授和美国布鲁克海文国家实验室刘长军教授为通讯作者。浙师大生科院在读博士朱宝、张艳军副教授和已毕业硕士高蓉为共同第一作者；浙师大生科院吴智华副教授、章薇博士、在读博士张超、张鹏鸿博士、化材学院毛会实验员等为共同作者。中国科学院深圳先进技术研究院赵乔研究员为本研究提供了重要指导和支持。该研究得到国家自然科学基金面上项目、国家重点研发项目、浙江省自然科学基金重点项目、浙江师范大学首届高水平创新团队建设项目等课题的资助。据悉，本论文为浙江师范大学首次以第一完成单位在顶尖期刊nature发表科研成果，说明浙江师范大学重视科研平台、团队建设和人才培养的举措取得了显著成效。 来源：浙江师范大学

植物科学领域的重大谜题，被中国团队解开了！7月23日，学术顶刊《Nature》同时发表了来自中国三个不同研究团队，关于水杨酸（Salicylic Acid, SA）的研究论文。其中四川大学张跃林团队首次完整解析植物中全新的水杨酸合成通路“PAL/BSH途径”；浙江大学潘荣辉团队首次打通水稻水杨酸合成途径；浙江师范大学张可伟团队首次完整阐述了水稻苯丙氨酸解氨酶（PAL）依赖的水杨酸生物合成途径。三项研究组合在一起，成功揭示并完整描绘了植物中水杨酸的长期缺失的最后三个酶促步骤，破解了这种关键防御激素的生物合成途径的百年未解之谜。这一发现不仅颠覆了长期以来苯甲酸直接羟基化生成水杨酸主流假说，有望改写教科书，还被业内人士预测要入选今年全球十大植物科学进展。这一传奇成分究竟有哪些应用方向，在生物制造领域又有哪些产业尝试与进展？诺奖级植物成分水杨酸是一种脂溶性的有机酸，存在于自然界的柳树皮、白珠树叶及甜桦树中。早在2000多年前，中国人、古埃及人和古希腊人都发现了服食柳树的叶子和树皮可以止痛。 然而直到18世纪，化学家们才制备出了水杨酸，但因其对咽喉和胃肠刺激剧烈而无法用于临床治疗。1897年，德国拜耳制备出了乙酰水杨酸，发现其独特的镇痛退烧功效并申请专利，将其命名为阿司匹林（aspirin）推向市场。1982年，英国医学家John Vane凭借对阿司匹林的研究获得诺贝尔生理学或医学奖，此后阿司匹林的其他药用价值被医学界源源不断地发掘出来。从一片小小的柳树皮上，诞生了世界上应用最广泛的解热、镇痛和抗炎药物，还开创了人类将天然产物类似物作为药物的先河。目前，水杨酸主流的生产方法是通过科尔贝－施密特反应（Kolbe-Schmitt Reaction）化学合成，会产出高盐、含酚且难以生物降解的强酸性有毒有机工业废水，对环境产生极大破坏。通过合成生物学技术生产水杨酸则是一种绿色环保、可持续的解决方案：江南大学吴静教授团队就发表过相关论文，工程化大肠杆菌在摇瓶中实现了3.72g/L的水杨酸产量。相关综述中也提到，在酿酒酵母中合成水杨酸产量可达46.2mg/L，且酵母独特细胞结构可转化分离水杨酸，有效规避细胞毒性。相信随着水杨酸在植物体内的合成渠道的逐渐完善，未来将有在微生物体内高表达量合成水杨酸的可能。药妆界双栖明星产业应用上，水杨酸市场已经相当成熟，其中又以医药和美妆最受关注，作为原料长久以来被用于制备阿司匹林、拉米夫定等药物。也因为具有清除老废角质的皮肤清洁能力，广泛运用在棉片、精华、涂抹面膜、爽肤水、面霜、身体乳等护理产品中。医美领域还有“刷酸”美白护肤项目，就利用到水杨酸，实现软化角质、剥落老化角质层，并促进真皮层胶原蛋白生成的效果。参考论文：Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plantsDeciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plantsComplete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants从化学合成到生物合成 —— 天然产物全合成新趋势Rational and Semirational Approaches for Engineering Salicylate Production in Escherichia coli推文用于传递知识，如因版权等有疑问，请于本文刊发30日内联系医药速览。原创内容未经授权，禁止转载至其他平台。有问题可发邮件至yong_wang@pku.edu.cn获取更多信息。©2021 医药速览 保留所有权利往期链接“小小疫苗”养成记 | 医药公司管线盘点 人人学懂免疫学| 人人学懂免疫学（语音版）综述文章解读 | 文献略读 | 医学科普|医药前沿笔记PROTAC技术| 抗体药物| 抗体药物偶联-ADC核酸疫苗 | CAR技术| 化学生物学温馨提示医药速览公众号目前已经有近12个交流群（好学，有趣且奔波于医药圈人才聚集于此）。进群加作者微信（yiyaoxueshu666）或者扫描公众号二维码添加作者，备注“姓名/昵称-企业/高校-具体研究领域/专业”，此群仅为科研交流群，非诚勿扰。简单操作即可星标⭐️医药速览，第一时间收到我们的推送①点击标题下方“医药速览”  ②至右上角“...”  ③点击“设为星标

撰文丨王聪编辑丨王多鱼排版丨水成文早在 4000 多年前，人们就在草药中利用了水杨酸（Salicylic acid，sa）的生物学效应，用来消炎、镇痛。到了 18 世纪，人们首次从柳树皮中分离出了水杨酸，基于水杨酸的阿司匹林（乙酰水杨酸），是人类历史上使用最广泛的药物。水杨酸作为一种植物激素，在植物中发挥着重要的免疫防御作用。植物进化出了两条合成水杨酸的途径——异分支酸合成酶（Isochorismate Synthase，ICS）途径、苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase，PAL）途径。其中，ICS 途径已在多种植物物种中得到研究，并在双子叶模式植物拟南芥中得到了全面解析。然而，我们对 PAL 途径的理解仍不完整。2025 年 7 月 23 日，浙江大学潘荣辉团队、范鹏祥团队（王玉康、宋书言、张文轩为共同第一作者）在 Nature 期刊发表了题为：Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants 研究论文。该研究揭示了水稻从苯甲酰辅酶 A到水杨酸的酯化-羟化-水解（BEBT-BBH-BSE）三步酶联反应模块，打通了水稻的水杨酸合成途径，并进一步证明了该模块在其他农作物中也是广泛保守的。水杨酸（SA）是一种在植物中普遍存在的植物激素，在人类文明中也有着悠久的历史。由于水杨酸在协调植物病原体防御中发挥着核心作用，因此了解水杨酸的生物合成对于植物免疫研究和作物改良至关重要。之前的研究已在模式植物拟南芥中，阐明了水杨酸的异分支酸合成酶（Isochorismate Synthase，ICS）途径，然而，苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase，PAL）途径的水杨酸生物合成在许多其他植物物种中发挥关键作用。在这项最新研究中，研究团队揭示了水稻中水杨酸生物合成的 PAL 途径，研究团队鉴定出三种专用酶——过氧化物酶体中的苯甲酰辅酶 A：苯甲醇苯甲酰转移酶（BEBT）、内质网中的苯甲酸苄酯羟化酶（BBH）、以及细胞质中的水杨酸苄酯水解酶（BSE），这三种酶依次将苯甲酰辅酶 A（benzoyl-CoA）转化为苯甲酸苄酯（benzyl benzoate）、水杨酸苄酯（benzyl salicylate）和水杨酸（Salicylic acid）。研究团队进一步证实，由病原体侵染所激活的三步酶联反应模块（BEBT-BBH-BSE）的基因表达模式及其介导的水杨酸生物合成功能，在多种植物中具有进化保守性。这项研究填补了植物关键防御激素生物合成领域的一项重大知识空白，为培育抗病作物的新策略奠定了基础。值得一提，Nature 同期还发表了两项关于水杨酸生物合成的研究论文。2025 年 7 月 23 日，四川大学生命科学学院张跃林团队（四川大学刘亚楠副研究员、加拿大英属哥伦比亚大学博士生徐璐为共同第一作者）在 Nature 期刊发表了题为：Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants 的研究论文。该研究揭示了水杨酸的 PAL 合成途径，并发现该合成途径在种子植物中高度保守。这一发现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，为培育抗病性增强的作物品种提供了新方向和新靶点。2025 年 7 月 23 日，浙江师范大学张可伟、布鲁克海文国家实验室刘长军、浙江师范大学张艳军作为共同通讯作者（朱宝、张艳军、高蓉为共同第一作者）在 Nature 期刊发表了题为：Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants 的研究论文。该研究完整解析了水稻从苯甲酰辅酶 A 到水杨酸的 PAL 合成途径，并进一步证明了其在大多数种子植物中是保守的。水杨酸的作用远不止是制造阿司匹林所需的分子，它还在植物生物学中发挥着关键的防御激素作用。然而，长期以来，科学家们对于水杨酸生物合成途径的理解一直不完整。来自四川大学、浙江大学、浙江师范大学的这三项研究填补了这一空白，他们发现了三种关键酶，破解了这种关键防御激素的生物合成途径的长期未解之谜。论文链接：1. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09280-92. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09185-73. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09175-9设置星标，不错过精彩推文开放转载欢迎转发到朋友圈和微信群 微信加群 为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。点在看，传递你的品味