莽草酸途徑（The shikimate pathway）是自然界中已知從頭合成芳香族氨基酸的唯一途徑。該途徑在植物和微生物中高度保守，在哺乳動物中缺失。莽草酸途徑起始于糖酵解途徑和磷酸戊糖途徑的兩個中間產物—磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤蘚糖，經過七步連續反應，最終生成分支酸（chorismate）。分支酸不僅是芳香族氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸）的共同前體，也是多種重要代謝物的起點，包括葉酸、生育酚、水楊酸以及絕大多數酚類化合物。作為關鍵代謝節點，分支酸在分支酸利用酶（chorismate utilizing enzymes, CUEs）催化下，轉化為不同碳骨架結構的下游產物。目前，微生物中已鑒定出13類CUEs（圖1a），而在植物中僅發現6類（圖1b）。在維管植物中，通過光合作用固定的碳約有30%流入莽草酸途徑，但這些碳源在植物體內的具體代謝去向仍有待進一步闡明。

圖1：目前已報道的分支酸利用酶（CUEs）。（a）來源于微生物; （b）來源于植物。

近日，比利時VIB研究所/根特大學Wout Boerjan團隊在Nature Plants發表了題為A biosynthetic gene cluster for three post-chorismate pathways inArabidopsis的研究論文，報道了擬南芥中一個同時控制三條新分支酸代謝途徑的生物合成基因簇。

Boerjan團隊長期致力于植物酚類代謝研究。在其前期發表的擬南芥代謝組學數據中，該研究團隊注意到一個相對分子質量為 224Da 的未知基團常與多種酚類代謝物形成復合物。通過分離、純化以及核磁共振分析，研究團隊解析了224Da基團對應的化學結構（圖2a），這是一類在植物中首次發現的新型化合物，結構上近似分支酸。為了解析該類化合物的生物合成途徑，研究團隊利用他們先前發表于《Molecular Plant》上的擬南芥全基因組關聯分析（GWAS）數據，定位到擬南芥第 5 號染色體上的一個顯著關聯位點（圖2b）。在該位點上下游共 100 kb 的基因區間內，分布著多個編碼不同酶家族的基因。其中，兩個氧化還原酶基因CRUE1和CRUE2，兩個甲基轉移酶基因DCMT1和DCMT2，以及一個糖基轉移酶基因UGT76E9，在擬南芥幼苗期的根和下胚軸，以及成熟期的莖稈中均表達較高且呈現類似的表達模式。上述結果提示，這些共表達的酶編碼基因可能參與同一個代謝網絡，形成一個生物合成基因簇（圖2c）。

圖2：包含224Da基團的化合物結構及其GWAS定位結果。（a）包含224 Da基團的化合物結構；（b）曼哈頓圖展示代謝物5a的GWAS定位結果；（c）圖b中定位位點100 Kb范圍內的基因分布以及基因注釋。

研究團隊從遺傳學和生物化學兩個層面驗證了該生物合成基因簇的功能。通過結合突變體的代謝組學分析和體外酶活性實驗，研究團隊明確了該基因簇中五個核心基因的催化功能（圖3）：CRUE1和CRUE2分別催化分支酸的兩種不同還原反應，生成 1,2-二氫分支酸（化合物1b）和 2,5-二氫分支酸（化合物1a）。隨后，這兩種中間體可被甲基轉移酶DCMT1在其頂部羧基進行甲基化，再由糖基轉移酶UGT76E9在其底部羥基進行糖基化，最終由另一甲基轉移酶 DCMT2對側鏈羧基進行第二次甲基化修飾，從而形成兩條起始于分支酸的平行代謝途徑。這兩條途徑的最終產物（化合物4a和4b）在擬南芥幼苗根中的積累水平極高，顯著高于大多數硫代葡萄糖苷。

圖3：擬南芥中新鑒定的三條分支酸代謝途徑。

為了探究該類化合物在擬南芥中的生物學功能，研究人員構建了一個三突變體（cure1cure2cure3），通過破壞分支酸的還原反應，同時阻斷了上述兩條代謝途徑。令人意外的是，三突變體在整體生長和發育表型上與野生型擬南芥并無顯著差異，其它已知的分支酸代謝途徑也未明顯改變，提示擬南芥中還存在未知的分支酸代謝途徑。基于該假設，研究人員在三突變體中新鑒定出一類顯著積累的化合物：分支酸–谷胱甘肽復合物。遺傳學和生化證據表明，即便分支酸還原受阻，分支酸仍可依次被DCMT1甲基化、UGT76E9糖基化和DCMT2二次甲基化修飾。這些修飾后的產物能夠進一步與谷胱甘肽結合，形成多種不同修飾形式的分支酸–谷胱甘肽復合物（圖3）。

綜上，該研究鑒定了擬南芥中一個新的生物合成基因簇，控制三條分支酸代謝途徑。其中兩條途徑產生一類新的次生代謝產物—二氫分支酸衍生物，并在擬南芥根中大量積累。第三條途徑產生分支酸-谷胱甘肽復合物，似乎是一種防止分支酸過度積累的解毒途徑。基因組分析表明，該基因簇不僅存在于擬南芥及其近緣物種中，還存在于部分遠緣十字花科植物中，但在十字花科外未發現。該研究不僅擴展了對擬南芥光合碳代謝命運的理解，也揭示了植物合成基因簇在植物代謝網絡中的復雜角色（不僅僅是一個基因簇控制一條代謝途徑）。

比利時VIB研究所/根特大學博士后彭夢為論文第一作者，Wout Boerjan教授為通訊作者。感謝李進博士，劉新宇博士，劉安然博士研究生以及其他合作者，特別感謝美國威斯康辛大學John Ralph教授及其團隊。該研究得到了歐盟瑪麗居里學者基金，歐盟ERC基金，比利時FWO基金，中國CSC基金以及美國威斯康辛大學、DOE基金的資助。

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https://www.nature.com/articles/s41477-025-02185-5