《PNAS》相同化合物的生物合成途径独立进化

　　不同植物科的个别物种产生特殊的吲哚衍生的防御化合物，称为苯并恶嗪类化合物。然而，到目前为止，这些化合物的生物合成途径仅为诸如玉米之类的草所知。马克斯·普朗克化学生态学研究所的一个研究小组通过研究两种远亲植物——金死荨麻和斑马，已经能够证明，形成这些特殊防御化合物的酶是完全不同的。因此，植物独立地进化了几次相同化合物的生物合成途径。

　　

玉米植物形成了从吲哚中提取的特殊化合物，即所谓的苯并恶嗪类化合物。它们被认为具有重要的生态意义，因为它们可以对抗各种食草动物并减少它们的摄食。苯并恶嗪类化合物还具有抗菌特性，并被认为参与介导植物间的相互作用。自20世纪90年代以来，人们已经知道它们在玉米中的生物合成。同时，它们的生物合成途径已在几种禾本科植物中被描述，但在其他植物中也发现了苯并恶嗪类化合物。它们的分布是特殊的:虽然专门的代谢物经常出现在特定的进化相关的植物物种中，但苯并恶嗪类化合物表现出相反的行为，并且零星地出现在许多远亲植物科中。许多阐明这一代谢途径的尝试，不仅在玉米中，而且在近缘种中都是不成功的。因此，马克斯·普朗克化学生态学研究所天然产物生物合成系的Tobias Köllner小组的研究目标很明确:“我们想要找出形成苯并恶嗪类化合物的能力是否在不同物种中独立进化。”

研究小组在研究中使用了两种产生苯并唑类药物的远亲植物:金死荨麻(Lamium galebodolon)，它生长在欧洲营养丰富的森林和森林边缘，以及斑马植物Aphelandra squarrosa，一种受欢迎的室内植物。对于这两个物种，研究人员创建了在不同组织中表达的化合物和基因的数据集，并将它们与不产生苯并恶嗪类药物的密切相关物种进行了比较。“这种方法使我们能够识别可能参与这些化合物形成的候选基因。该研究的第一作者Matilde Florean描述了他们的研究方法，我们通过在烟草中表达这些候选基因来进一步表征它们，以确定它们是否真的参与了苯并恶嗪类药物的产生。”

研究人员能够证明，苯并恶嗪类代谢途径在玉米和被研究的两个物种中独立进化。Tobias K?llner继续说道，“我们发现，与玉米不同，许多密切相关的细胞色素P450酶执行代谢途径的特定步骤，不同的酶类以及不相关的细胞色素P450酶家族被招募。”

特别是发现金死荨麻和斑马植物使用一种双重功能的含黄素的单加氧酶，而不是像草中那样使用两种不同的细胞色素P450酶，这是完全出乎意料的。总的来说，研究小组惊讶地发现如此多样化的酶执行相同的反应。

“通过这项工作，我们已经展示了植物代谢的灵活性。“我们已经证明，植物可以独立地发明非常不同的策略来制造相同的化合物，这种情况在苯并恶嗪类化合物的进化史上至少发生过三次，”天然产物生物合成部主任Sarah O'Connor总结了研究结果。在未来，研究小组希望阐明这些化合物在更多植物家族中的生物合成。

Reinventing metabolic pathways: Independent evolution of benzoxazinoids in flowering plants