早在2000多年前，南美原住民发现了一种奇妙的捕鱼术：把一些豆科植物的根茎捣碎投入水中，水面上很快浮起翻白肚的鱼。1895年，科学家从这些植物中分离出了相应活性成分——鱼藤酮。

　　它是植物的“化学武器”，也是人类最早使用的天然杀虫剂之一。但植物究竟如何生产出鱼藤酮？这个自然奥秘一直无从知晓。

　　如今，鱼藤酮仍被广泛作为绿色农药使用，但使用方式与千年前并无本质不同。这个谜题直到最近才被西湖大学理学院洪本科实验室解开。

　　该实验室发现了植物内部一种独特的催化机制，首次完整揭示了鱼藤酮的生物合成路径，并成功在烟草叶片中实现了鱼藤酮的从头合成。北京时间10月21日，这一重要成果发表于国际学术期刊《Nature Synthesis》。

论文截图

　　鱼藤酮如何合成？科学界百年追寻

　　洪本科的实验室，叫做植物天然产物实验室，那是一个被绿色包围的空间。一排排架子上，摆放着烟草、拟南芥、大豆、黄花蒿、长春花……所谓一花一世界，这里藏着自然演化的秘密。

洪本科实验室一角

　　鱼藤酮类物质的完整合成路径，是洪本科实验室近年的研究方向之一。

　　它的作用方式很简单——阻断昆虫或鱼类细胞中线粒体的能量供应，相当于让生物活动拉闸断电。但复杂的，是它的化学结构。鱼藤酮类分子拥有一个独特的闭合骨架，被称作B/C环。这是鱼藤酮分子具有强生物活性的关键所在。

　　科学家们早已知道这个环的存在，却一直不清楚植物是如何在体内“制造”它的。这个环，也正是一直让鱼藤酮化学合成效率低下、限制工业化生产的“卡脖子”难点。

　　为了解开这个百年谜题，实验团队选择了两种天然能合成鱼藤酮的植物——紫穗槐和非洲灰毛豆。上世纪七八十年代，科学家已经大致描绘了鱼藤酮在它们体内的反应起点和终点。洪本科要做的，则是补上中间的环节。

　　生物体内的几乎每一种化学反应，都由基因编码的酶来完成——基因提供“指令”，酶来执行，进而反应生成各种代谢产物。因此，想要理解植物如何在体内制造分子，就必须观察它的代谢产物与基因表达的变化。

　　实验团队通过代谢组学与转录组学，分析两种植物体内不同组织的化学成分含量高低，并对比组织中基因的活跃程度。经过多轮筛选与功能验证，最终，他们从数千个基因中确定了14个具有相应功能的基因。它们是让初级代谢物苯丙氨酸一步步成为鱼藤酮的关键。

洪本科与非洲灰毛豆

　　意外发现：维生素C竟是关键“催化剂”

　　从路线图上看，分子要完成这步最后的“合龙”，还需一次氧化还原反应——按化学直觉，这应当是“先氧化、后还原”的两步骤。

　　为此，团队使用了常用的模式植物——本氏烟草，它能在短时间内表达多种外源基因，是验证植物代谢途径的重要载体。文章第一作者、西湖大学博士生曹文颖承担了这部分关键的筛选工作。

　　“当时比较笃定地认为，就在这些酶里面，所以筛了一遍又一遍。光这一步的解析，差不多就花了三个月的时间。”曹文颖回忆。她尝试了CYP450等多个可能的氧化酶家族，但计划中本应出现的关键B/C环产物却始终没有浮现。

　　转机来自一场意外那次，用于试验的烟草叶片已经枯萎，但曹文颖照常检测，发现那个总是消失的中间体，第一次出现在了研究团队的视野里——这时他们才明白，健康的烟草体内有自己的代谢系统，会分解掉那个关键中间产物，而状态不佳的烟草，代谢功能下降，却不料抖落出了这个众人一直寻找的B/C环！

　　这条线索直接指向了2-ODD家族中的关键酶：Af2ODD。

　　然而，确认了功能只是第一步，更大的谜团接踵而至。按现有酶学规律，这类酶只能起到氧化作用，无法“一石二鸟”地直接完成氧化与还原两项任务。

　　“我们能确定它的功能，但完全搞不清楚一个氧化酶为什么能够催化氧化还原中性的反应。”曹文颖说。

　　就在此时，洪本科提出了一个简单但有些“反常识”的建议——把反应体系里的抗坏血酸，也就是维生素C，去掉试试。

　　抗坏血酸是植物体内常见的辅因子，也常被添加在酶促反应体系中，用来保持酶的活性。但在现有科学认知中，抗坏血酸是一个“助手”的角色，可从未成为过反应的主角。

　　但实验结果让所有人大吃一惊：当反应体系中去掉抗坏血酸时，Af2ODD只能表现出典型的氧化酶特性，而当重新加入抗坏血酸后，氧化和还原两个步骤竟顺利走完，生成了最重要的B/C环。我们所熟知的维生素C，正是决定鱼藤酮能否成功合成的关键。

文章一作、西湖大学博士生曹文颖

　　解锁“绿色合成”新路径

　　至此，洪本科团队终于在庞杂的生命反应中，打通了两种植物体内鱼藤酮的完整“生产线”。

　　研究团队还发现，不同植物在生产鱼藤酮这件事上，也各自进化出了不同的策略。紫穗槐和非洲灰毛豆同属豆科植物，两者却在下游关键反应上，用不同的氧化酶，实现了鱼藤酮相似分子的合成。

　　可以理解为，两种植物在各自演化过程中，独立找到了不同的“化学解法”。这就是生物世界的趋同进化。

　　在解析了完整路径后，洪本科团队迈出了更具应用价值的一步——鱼藤酮的异源合成。他们将来自紫穗槐的17个基因导入本氏烟草，让烟草这个“植物工厂”，学会制造鱼藤酮类化合物，从而首次实现了鱼藤酮的植物异源从头合成。

Af2ODD能够实现/C环骨架的关键合成

　　最终结果显示，烟草中鱼藤酮产量最高达到每克干重0.6毫克的水平，超过了紫穗槐本身的含量。

　　这意味着，研究者或将不再需要依赖自然提取或破坏性的采集，就可更持续、更经济地获得这些植物的“天然馈赠”。

　　在洪本科的另一项研究中，他们还解析了大豆抗毒素的生物合成途径，并成功实现从头合成。这项成果在今年早些时候发表在《分子植物》。

　　在洪本科的个人主页上，写着寥寥四个字：道法自然。

　　“植物的化学合成路径，大自然早已经把它摆好了，它就在那里，只是需要我们把它挖掘出来。”洪本科说。

　　从这个意义上而言，科学家所做的，不过是追踪这些无声的反应，让自然的逻辑再次显形。我们每多理解一点植物的行为，也就更靠近了自然本身。

非洲灰毛豆

　　洪本科团队还尝试鱼藤酮这的异源合成。他们将来自紫穗槐的17个基因导入本氏烟草，让烟草这个“植物工厂”，学会制造鱼藤酮类化合物，从而首次实现了鱼藤酮的植物异源从头合成。最终结果显示，烟草中鱼藤酮产量最高达到每克干重0.6毫克的水平，超过了紫穗槐本身的含量。

　　这意味着，研究者或将不再需要依赖自然提取或破坏性的采集，就可更持续、更经济地获得这些植物的“天然馈赠”。

　　在洪本科的另一项研究中，他们还解析了大豆抗毒素（Glyceollin）的生物合成途径。大豆在遭受病原侵袭时，会迅速合成这种防御性化合物，以抵御感染。研究团队成功鉴定出关键还原酶GmTHIS与负责最终环化的CYP450酶，揭示了三种异构体的形成机制，并进一步成功实现从头合成。这项成果在今年早些时候发表在Molecular Plant。

洪本科与两项研究的一作。后：曹文颖，右：博士后孙云龙 本文图片由西湖大学提供

编辑： 陈捷

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