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许多植物特有的代谢产物在草食动物防御中起作用，而突变其生物合成途径中的特定步骤通常会导致植物自身毒性。然而，其防御和自身毒性的分子机制仍不清楚。2021年1月15日，Science杂志在线发表了来自德国马普研究所Ian T. Baldwin课题组等题为“Controlled hydroxylations of diterpenoids allow for plant chemical defense without autotoxicity”的研究论文。该研究表明植物通过调节新陈代谢，避免了代谢分子的自身毒性，同时又获得了草食动物防御能力。并首次揭示了植物的代谢分子被其食草动物消化后会产生对食草动物有毒的产物，这反映出植物对使用有效化学防御的“有毒废物倾倒”问题的解决方案。
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植物会产生各种代谢小分子以帮助它们对抗外界的影响，如食草动物和病原体的攻击。通常这些代谢小分子是靶向食草动物的特有的组织，以避免了自身毒性问题。如尼古丁是一种针对烟碱乙酰胆碱受体的的神经毒素。然而，还有一些小分子防御的目标是包括植物在内的所有生物共有的基本细胞过程。为了避免自身毒性，许多植物防御化合物被存储在非活性糖基化形式，在攻击后其释放出有毒的糖苷。此外，如果突变糖基化步骤的酶后，通常会导致植物自身毒性，但是防御功能和自毒共享相同的机制基本上是未知的。该研究利用一种烟草Nicotiana activatea中的17-HGL-DTGs代谢物来研究自身毒性与防御之间的关系。之前已经有研究证实17-HGL-DTG对食草动物烟草天蛾幼虫有防御功能。但是负责代谢物防御功能的机制尚不清楚。17-HGL-DTG的生物合成途径是萜类化合物的典型途径，如下图所示。已知所有的二萜糖苷都具有相同的糖苷配基17-HGL，这表明在香叶基芳樟醇 C-17位置进行精确羟基化非常重要，然而介导该过程的CYP酶仍然未能得到鉴定。![]()
该研究首先试图鉴定参与17-HGL生物合成的CYP，研究结果鉴定到NaCYP736A304和NaCYP736A305介导了香叶基芳樟醇在17-HGL-DTGs生物合成中的17-羟基化作用。进一步将CYP736A沉默后，VIGS- CYP736A植物也表现出强烈植物自身毒性，表现植物不育。而将NaCYP736A基因与更上游的NaGLS酶共同沉默可以消除植物毒性和不育表型，但是单独沉默NaGLS不会明显影响植物的生长和形态，说明了香叶基芳樟醇的积累是植物自身毒性的原因。![]()
下一步，就是研究香叶基芳樟醇是如何让植物自身毒性，即作用的靶点在哪里？该研究通过在茉莉酸处理后对来自VIGS-GLS，VIGS-CYP736A和VIGS-GLS/CYP736A植物与VIGS-EV植物的叶子进行了全基因组芯片分析，研究结果显示沉默NaCYP736A引起的自毒性是由于抑制神经酰胺合酶NaCerS活性导致Long-chain bases(LCB)的过度积累。![]()
上面已经回答了植物如何避免自身毒性的问题，那么下一步该研究就是回答植物如何利用17-HGL-DTG化合物及衍生物进行防御食草动物。研究显示，糖基化的17-HGL-DTG没有活性，仅在被草食动物摄入后可激活17-HGL-DTG对其CerS的抑制作用。进一步通过对烟草天蛾虫粪的代谢分析，表明17-HGL-DTG的被羟基化（OH-Lyc4s），并与摄入的植物材料中一些未知的氧化性化合物或酶有关。同时通过核磁共振分析阐明了这些化合物的结构，并表明OH-LYC4的所有三种异构体都能抑制烟草天蛾虫CERS活性，说明了羟基化17-HGL-DTGs直接抑制CerS活性并提供对草食动物防御。![]()
综上所示，该研究表明香叶基芳樟醇被CYP736A在C-17处氧化，再被UGT74P糖基化，并进一步修饰产生17-HGL-DTG，其中可防止了糖苷配基的进一步修饰。而当被草食动物摄入时，这些17-HGL-DTG会转化为一类有毒化合物，羟基化的17-HGL-DTG，会抑制草食动物细胞膜（鞘脂）的必要结构成分的生物合成，从而实现其防御功能。另一方面，如果部分生物合成途径被突变，例如NaCYP736A或NaUGT74P被沉默，则积累的香叶基芳樟醇或17-HGL将流入非特异性羟基化衍生物，进而抑制植物自身的鞘脂生物合成，并导致自身毒性。
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iPlants评论：
该研究完成了17-HGL-DTGs的生物合成途径，并表明天然烟草植物保留了17-HGL-DTG的防御功能，同时又通过精确调控类萜糖苷配基修饰而又避免了自身毒性。其中被食草动物食用消化后才能发挥防御作用，是文章的亮点。同时，该文首次运用了“排泄物代谢组学”研究植物及其食草动物之间关系，为今后发现植物防御分子和天然产物提供了有利的工具。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6526/255
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