深度科學(xué)| 背靠背三篇Nature：水楊酸！

編者語(yǔ)：

“相信很多化學(xué)er大學(xué)時(shí)《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》應(yīng)該都用到了：“水楊酸”作為原料合成阿司匹林，都講到對(duì)它最初的認(rèn)識(shí)來(lái)自于柳樹(shù)，幾千年過(guò)去了，它依舊閃亮。”

01

水楊酸簡(jiǎn)介

水楊酸（salicylic acid，SA；分子式：HOC6H4COOH）是柳樹(shù)皮中的活性成分，數(shù)百年來(lái)一直被用于消炎和止痛。水楊酸是一種無(wú)色（或白色）、味苦的固體，其名稱源自拉丁語(yǔ)salix，意為柳樹(shù)。人類歷史上使用廣泛的藥物阿司匹林（Aspirin）便是水楊酸的一種乙酰化衍生物，即乙酰水楊酸。與其他羥基酸類似，水楊酸是許多護(hù)膚產(chǎn)品的成分，用于治療脂溢性皮炎、痤瘡、牛皮癬、老繭、雞眼、毛發(fā)角化病、黑棘皮癥、魚(yú)鱗病和疣（Journal of the American Academy of Dermatology, 2014, 70 (4): 788-792.）。水楊酸可通過(guò)Kolbe-Schmitt反應(yīng)化學(xué)合成(圖1），在高壓（100 bar）和高溫（115 °C）下用二氧化碳處理苯酚鈉（苯酚的鈉鹽）來(lái)制備，用硫酸酸化產(chǎn)物可得到水楊酸：

圖1. 水楊酸的化學(xué)合成

同時(shí)，SA也是一種關(guān)鍵的植物防御性激素，在植物抵御微生物侵染的過(guò)程中至關(guān)重要。在生物合成合成方面，水楊酸由氨基酸苯丙氨酸生物合成。在擬南芥中，它可以通過(guò)不依賴苯丙氨酸的途徑合成，但其具體合成路徑仍然不清楚。因此，植物體內(nèi)SA的生物合成途徑受到了廣泛關(guān)注。

02

研究進(jìn)展

1.植物中苯甲酰輔酶A三步生物合成水楊酸

四川大學(xué)&加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)張躍林團(tuán)隊(duì)論文“Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants”揭示了種子植物中一種保守的SA生物合成途徑。團(tuán)隊(duì)采用了多學(xué)科方法組合，包括基于EMS誘變的正向遺傳篩選、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、CRISPR基因編輯、體內(nèi)外酶活性測(cè)定以及植物體內(nèi)代謝物分析等，在本氏煙草中鑒定出了PAL途徑中SA生物合成的三個(gè)關(guān)鍵酶和步驟（圖5）：（1）苯甲酰輔酶A和苯甲醇在苯甲酰輔酶A：苯甲醇苯甲酰轉(zhuǎn)移酶BEBT的催化下發(fā)生酯化反應(yīng)，生成苯甲酸芐酯；（2）苯甲酸芐酯氧化酶BBO繼而對(duì)苯甲酸芐酯進(jìn)行羥基化，產(chǎn)生水楊酸芐酯；（3）水楊酸芐酯水解酶BSH裂解水楊酸芐酯，從而生成水楊酸（SA）。通過(guò)在水稻、大豆等主要作物及柳樹(shù)、楊樹(shù)等多種種子植物中驗(yàn)證，這條新鑒定的途徑不同于先前基于相對(duì)初級(jí)的酶學(xué)證據(jù)所假設(shè)的PAL途徑。作者將這條新發(fā)現(xiàn)的途徑命名為“PAL/BSH途徑”，這一發(fā)現(xiàn)解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的關(guān)于非十字花科植物中SA生物合成的問(wèn)題，揭示出在十字花科以外的大多數(shù)植物中，這條途徑（而非ICS途徑）才是SA生物合成的主要路線（圖2）。這項(xiàng)工作也為研究SA在不同物種間的作用奠定了重要基礎(chǔ)。

圖2. 柳樹(shù)、楊樹(shù)、大豆、水稻和本氏煙草中已鑒定的SA生物合成途徑的保守性

值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)曾在2019年于Science上報(bào)道了擬南芥中SA的主要生物合成途徑-ICS途徑中的最后關(guān)鍵一環(huán)，即氨基轉(zhuǎn)移酶PBS3催化異分支酸和谷氨酸生成一種之前未知的化合物異分支酸-谷氨酸加合物(IC-9-Glu)，而后者非常不穩(wěn)定，可自發(fā)分解生成SA（Science, 2019, 365(6452), 498-502.）。

2.植物中苯丙氨酸衍生的水楊酸生物合成

浙江大學(xué)潘榮輝和范鵬祥團(tuán)隊(duì)論文“Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants”，打破了水楊酸合成中被長(zhǎng)期廣泛接受的苯甲酸羥化酶假設(shè)。

該研究揭示了水稻中從苯甲酰輔酶A到水楊酸的酯化-羥化-水解（BEBT-BBH-BSE）三步酶聯(lián)反應(yīng)模塊（圖3），首次打通了水稻水楊酸合成途徑，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該模塊在其他農(nóng)作物中也是廣泛保守的。鑒定出三個(gè)關(guān)鍵酶：

（1）過(guò)氧化物酶體中的苯甲酰-CoA：芐醇苯甲酰轉(zhuǎn)移酶（BEBT），催化苯甲酰-CoA生成苯甲酸芐酯；

（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的細(xì)胞色素P450酶（苯甲酸芐酯羥化酶，BBH），將苯甲酸芐酯羥基化生成水楊酸芐酯；

（3）胞質(zhì)中的水楊酸芐酯酯酶（BSE），最終將水楊酸芐酯水解生成水楊酸。

這一三酶模塊不僅在水稻中介導(dǎo)病原誘導(dǎo)下的SA合成，其表達(dá)模式與功能在多種植物中亦高度保守。本研究填補(bǔ)了植物防御激素SA合成機(jī)制中的關(guān)鍵空白，為構(gòu)建抗病作物的全新策略奠定了理論基礎(chǔ)。

圖3. BEBT–BBH–BSE模塊在植物SA生物合成中是保守的

3.植物中苯丙氨酸完全生物合成水楊酸

浙江師范大學(xué)張艷軍&張可偉、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉長(zhǎng)軍團(tuán)隊(duì)論文“Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants”，通過(guò)對(duì)水稻（Oryza sativa）中四個(gè)水楊酸缺陷基因（SA-DEFICIENT GENE，OSD1-OSD4）的功能分析，首次完整解析了PAL途徑中SA的生物合成過(guò)程（圖4）。具體而言：

（1）OSD1 編碼的肉桂酰輔酶A（cinnamoyl-CoA）合成酶催化反式肉桂酸轉(zhuǎn)化為肉桂酰-CoA；該產(chǎn)物在過(guò)氧化物酶體中經(jīng)由β-氧化途徑轉(zhuǎn)化為苯甲酰-CoA；

（2）隨后，過(guò)氧化物酶體中由苯甲酰轉(zhuǎn)移酶 OSD2 將苯甲酰-CoA轉(zhuǎn)化為苯甲酸芐酯；該中間體再由位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細(xì)胞色素P450酶 OSD3 催化羥基化為水楊酸芐酯；

（3）最終，由胞質(zhì)中的羧酸酯酶 OSD4 將其水解生成水楊酸。

進(jìn)化分析表明，PAL途徑早在裸子植物分化之前就已建立，并在多數(shù)種子植物中得以保留。在水稻中激活PAL途徑顯著提高了水楊酸水平和植物免疫力。本研究的完成不僅填補(bǔ)了SA合成路徑中的關(guān)鍵空白，也為理解不同植物中SA的主導(dǎo)合成機(jī)制提供了重要線索，并為精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)作物免疫力提供了新靶點(diǎn)。

圖4.PAL依賴的SA生物合成的完整路徑

03

水楊酸的發(fā)現(xiàn)歷史

早在公元前約1500-3000年，古蘇美爾人(Sumerians)和古埃及人(Egyptians)就開(kāi)始利用白柳(Salix alba)治來(lái)治療“疼痛性腸梗阻”、避孕、“吐血者”、去除老繭和雞眼，以及作為“痛風(fēng)暖敷”。同時(shí)，在歐洲和中國(guó)，人們用它來(lái)治療這些疾病，埃及、蘇美爾和亞述的文獻(xiàn)中都提到了這種療法。中國(guó)《神農(nóng)本草經(jīng)》將柳枝、葉、根分別歸類，用于祛痰明目與解毒（柳葉，治馬疥痂瘡。柳實(shí)，潰癰，逐膿血）；明代的李時(shí)珍在《本草綱目》中細(xì)化了柳葉煎湯治療丹毒的工藝（小兒丹毒，用柳葉一斤，加水一斗，煮取汁三升， 洗患處），與現(xiàn)代水楊酸的提取原理有一定的相似之處。古埃及醫(yī)學(xué)著作《Eberspapyrus》記錄柳樹(shù)（Willow，圖5）可以作為消炎（Anti-inflammatory）和鎮(zhèn)痛（Pain reliever）的藥物，來(lái)治療廣譜的疼痛和不適。公元前約400年左右，古希臘名醫(yī)希波克拉底（Hippocrates）將柳樹(shù)葉泡茶來(lái)緩解孕婦生產(chǎn)時(shí)的痛苦。William Turner在1597年重復(fù)了這一說(shuō)法，稱柳樹(shù)皮“燒成灰燼，浸泡在醋中，可以去除腳和腳趾上的雞眼和其他類似的腫塊。1763年，來(lái)自英國(guó)牧師Edward Stone報(bào)告稱，柳樹(shù)皮具有退燒功效。

圖5. 柳樹(shù)

1828年，德國(guó)化學(xué)家Johann Andreas Buchner成功從柳樹(shù)中分離出了其活性成分，一種嘗起來(lái)苦味的黃色晶體，并根據(jù)柳樹(shù)的拉丁名Salix alba，命名為Salicin（水楊苷，水解后可以得到水楊醇，氧化后生成水楊酸），1829年，法國(guó)化學(xué)家Henri Leroux分離出了大量這種物質(zhì)。意大利化學(xué)家Raffaele Piria將該物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種糖和另一種成分，后者經(jīng)氧化后變成水楊酸，所以很長(zhǎng)一段時(shí)間Salicin曾是合成水楊酸類藥物的主要來(lái)源。1830年，瑞士化學(xué)家Johann Pagenstecher從繡線菊（Filipendula ulmaria）中也提取到了Salicin，隨后德國(guó)研究者Karl Jacob L?wig也成功從該植物中分離出了Salicin。他們的提取物會(huì)引起消化問(wèn)題，例如胃部刺激、出血、腹瀉，大劑量服用甚至?xí)?dǎo)致死亡。1838年意大利化學(xué)家Raffaele Piria通過(guò)化學(xué)方法用水楊苷制得了一種無(wú)色針狀晶體，并將其命名為Salicylic acid（水楊酸），這是有記錄的人們第一次獲得純化的水楊酸。1853年，法國(guó)化學(xué)家Charles Frédéric Gerhardt確定了水楊酸的化學(xué)式，并首次化學(xué)合成了乙酰基水楊酸。19世紀(jì)下半葉，其他一些化學(xué)家設(shè)計(jì)出了更高效的合成方法。

1874年，蘇格蘭醫(yī)生Thomas MacLagan嘗試用水楊苷治療急性風(fēng)濕病，并取得了顯著成功，這發(fā)表于1876年的《柳葉刀》雜志（The Lancet, 1876, 108, 2774.）。與此同時(shí)，德國(guó)科學(xué)家嘗試使用水楊酸鈉，但效果較差，副作用也更為嚴(yán)重。1897年，德國(guó)化學(xué)家Felix Hoffmann在染料和藥物公司拜爾（Bayer）工作期間，在水楊酸上添加一個(gè)乙酰基(Acetyl group)可以改善對(duì)胃的刺激性副作用，隨后拜爾公司對(duì)這項(xiàng)研究申請(qǐng)了專利。Bayer將乙酰基水楊酸命名為阿司匹林（Aspirin），其中A代表乙酰基Acetyl，spir代表植物Spiraea ulmaria，in則是當(dāng)時(shí)藥物普遍使用的后綴名。在隨后的幾十年里，阿司匹林被進(jìn)行了一系列臨床試驗(yàn)，并一度成為了世界上使用最廣的藥物之一。雖然阿司匹林會(huì)對(duì)腸胃有一些刺激性副作用，它依然是目前治療心血管疾病的常用藥物。

注意：阿司匹林合成后，Hoffmann想改造嗎啡，以生成一種成癮性較低的止咳藥物可待因，卻合成了二乙酰嗎啡（海洛因，圖6），當(dāng)時(shí)被拜爾公司以不會(huì)成癮的止咳藥出售(1898-1910年)，極為暢銷。口服后，海洛因經(jīng)過(guò)代謝，脫去乙酰基，轉(zhuǎn)化為嗎啡，效果及風(fēng)險(xiǎn)與口服嗎啡相同，而拜爾公司試圖隱瞞，一度名譽(yù)掃地。

圖6. 嗎啡、可待因和海洛因的化學(xué)結(jié)構(gòu)（識(shí)毒、防毒、拒毒）

1979年，研究發(fā)現(xiàn)水楊酸鹽參與了煙草對(duì)抗煙草花葉病毒的誘導(dǎo)防御（Plant Physiology. 1992, 99(3), 799-803.）。1987年，水楊酸被鑒定為人們長(zhǎng)期尋找的導(dǎo)致產(chǎn)熱植物（如巫毒百合，Sauromatum guttatum）產(chǎn)生熱量的信號(hào)（Science, 1987, 237 (4822), 1601-1602.）。水楊酸是一種酚類植物激素，在植物中發(fā)揮作用，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、蒸騰作用以及離子的吸收和運(yùn)輸。水楊酸參與內(nèi)源信號(hào)傳導(dǎo)，介導(dǎo)植物防御病原體。它通過(guò)誘導(dǎo)致病相關(guān)蛋白質(zhì)和其他防御性代謝物的產(chǎn)生，在抵抗病原體（即系統(tǒng)獲得性抗性）中發(fā)揮作用。植物體內(nèi)的水楊酸由分支酸（chorismate）通過(guò)兩條獨(dú)立途徑合成：一條是異分支酸合成酶（Isochorismate Synthase, ICS）合成途徑，另外一條是苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase, PAL）合成途徑（圖7）。在ICS途徑中：質(zhì)體中的ICS將分支酸（CA）轉(zhuǎn)化為異分支酸（IC）；IC由MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白EDS5轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)；之后，PBS3將IC轉(zhuǎn)化為異分支酸-9-谷氨酸（IC-9-Glu）；IC-9-Glu可自發(fā)或被EPS1降解生成SA。在PAL途徑中： PALs將苯丙氨酸（Phe）轉(zhuǎn)化為反式肉桂酸（trans-CA）；trans-CA通過(guò)AIM1介導(dǎo)的β-氧化途徑（β-oxidation）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為苯甲酸（BA）。隨后，BA通過(guò)一種尚未鑒定的苯甲酸2-羥化酶的作用產(chǎn)生水楊酸（SA）。

圖7. 植物中已知的水楊酸（SA）合成途徑

04

總結(jié)

三篇重磅研究論文同期,《Nature》配發(fā)了一篇題為“Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid”的“News & Views”評(píng)論文章，由植物生物學(xué)領(lǐng)域?qū)＜襃iyeon Hyun與Heejin Yoo撰寫(xiě)。

評(píng)論中指出，這三項(xiàng)獨(dú)立研究共同填補(bǔ)了植物水楊酸PAL途徑中缺失已久的關(guān)鍵步驟，揭示了從苯甲酰輔酶A到水楊酸的完整三步反應(yīng)，不僅破解了橫跨多個(gè)物種的免疫代謝謎團(tuán)，也推翻了長(zhǎng)期以來(lái)“苯甲酸直接羥化生成水楊酸”的假設(shè)模型。

評(píng)論強(qiáng)調(diào)，三篇論文采用互補(bǔ)的物種和策略，卻不約而同地識(shí)別出同一三酶模塊，凸顯其進(jìn)化保守性與功能通用性。

此外，作者也提出了新的科學(xué)問(wèn)題，如該通路在細(xì)胞器間的動(dòng)態(tài)協(xié)同機(jī)制、與系統(tǒng)性獲得性抗性（SAR）的整合方式等，呼吁未來(lái)深入探索。

圖8. 植物用來(lái)制造水楊酸的途徑

參考文獻(xiàn)：

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5. Jiyeon Hyun & Heejin Yoo, Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/d41586-025-02131-7.

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