Nature Commun | 李建戌研究組揭示黃酮合成關鍵調控機制，為作物改良提供新策略

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心辰山科學研究中心李建戌研究組在Nature Communications在線發表了題為Molecular mechanism underlying regulation of chalcone synthase by chalcone isomerase-like protein的研究論文。該研究首次解析了植物黃酮類化合物生物合成途徑關鍵酶—查爾酮合酶（Chalcone synthase，CHS）與IV型查爾酮異構酶（chalcone isomerase-like protein，CHIL）形成的蛋白復合體高分辨率三維結構，闡釋了CHIL調控CHS催化效率與產物特異性的分子機制，為深入理解植物次生代謝流的精準調控提供了重要見解。

黃酮類化合物是植物體內一類至關重要的次生代謝產物，在植物生長發育、逆境適應中發揮關鍵作用，同時因其顯著的抗氧化、抗炎、抗菌、抗病毒等生理活性而具有重要的食用和藥用價值。作為黃酮類化合物生物合成途徑中的第一個關鍵限速酶，查爾酮合酶（CHS）負責將代謝流從苯丙烷途徑引導到黃酮代謝途徑。然而，CHS本身存在“催化混雜性”，在酶活反應中能生成大量副產物，從而限制了黃酮類化合物的合成效率。此前研究發現，CHIL可以與CHS發生相互作用并調控其酶學特性，但具體的分子機制并不清楚。

為解決這一科學問題，研究人員成功解析了CHS-CHIL蛋白復合體的高分辨率晶體結構，結合生物化學分析與分子動力學模擬，逐步揭示了其調控機制。結構與生化分析顯示，CHIL通過其-發卡結構控制底物結合口袋入口的開關，從而調控CHS的功能。分子動力學擬結果表明，CHIL對CHS產物特異性的調控可能發生在催化循環的早期階段，比如底物結合或中間體形成階段。CHIL借助-發卡結構，通過促進輔酶 A的釋放并協助CHS內部關鍵氨基酸殘基的正確定位，增強CHS的酶活性與產物特異性。研究進一步揭示了位于CHIL 蛋白β-發卡結構上的關鍵功能位點—His36的重要作用，在擬南芥及多種植物中將該組氨酸突變為亮氨酸后，CHS的催化效率與產物特異性得到進一步提升。

圖1：CHS-CHIL復合體的結構與功能。

a-b：IV型查爾酮異構酶（chalcone isomerase-like protein，CHIL）可以調控查爾酮合酶（Chalcone synthase, CHS）的催化效率與產物特異性；c：CHS-CHIL復合體的晶體結構。

研究人員還追溯了CHIL蛋白的進化過程，對從苔蘚到被子植物的多種陸生植物CHIL同源蛋白進行了系統分析，證實該分子調控機制在陸地植物演化過程中高度保守�；谶M化分析結果，團隊成功設計出CHIL 的突變體 H36E/F37T，該突變體在增強CHS酶活性、提升黃酮類化合物合成效率方面表現出優異性能�？紤]到黃酮類化合物不僅是作物營養品質的核心指標，也是植物抵抗逆境脅迫的關鍵因素，這一調控機制的強化可以為作物適應復雜環境、提升營養品質提供了關鍵的分子改良靶點。

圖2：CHIL調控CHS活性的分子機制。

在沒有CHIL結合時，CHS的催化效率較低，且因產物CoA釋放緩慢而產生更多副產物；當CHIL與CHS結合后，其?-Hairpin結構不僅能加速CoA釋放，還可以穩定CHS活性位點的正確構象，所以CHS的催化效率顯著提高，副產物大大減少。

該研究是李建戌研究團隊在植物次生代謝調控領域取得的重要進展。研究揭示的CHS-CHIL復合體結構與分子調控機制信息，不僅回答了該領域長期存在的關鍵科學問題，深化了對黃酮代謝流調控核心元件的認知，也為未來通過分子設計改良作物黃酮類化合物的含量與組成、培育優質抗逆新品種提供了直接的理論指導和潛在的蛋白工程改造靶點。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心辰山科學研究中心的研究生王淞、科研助理馬立瑩和分子植物科學卓越創新中心的徐洲更博士為該論文的共同第一作者，李建戌研究員為該論文的通訊作者。上海師范大學的俞芳副研究員，分子植物科學卓越創新中心的王佳偉研究員、張鵬研究員、朱木蘭研究員、郝潔副研究員和馬妙蓮正高級實驗師，山東大學的程愛霞教授，上海辰山植物園的許晶晶副研究員等也參與了研究和討論。該研究得到了國家自然科學基金、上海市農業科技創新項目以及上海市綠化和市容管理局科學技術項目等的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70563-4