陕西
植物次生代谢产物的多样性并不总是来源于新的蛋白功能的产生，而可能来自对已有代谢网络的重新组合和利用。然而，植物如何利用已有初级代谢途径产生新的代谢产物，以及这类代谢多样性在植物驯化过程中的演变机制，目前仍缺乏深入解析。
近日，浙江大学范鹏祥研究团队在国际顶级期刊Nature Communications在线发表了题为Evolutionary hijacking of fatty acid biosynthesis drives insecticidal acylsugar diversity in tomato的研究论文。该研究揭示了抗虫代谢物酰基糖(Acylsugar) 长支链酰基链在野生番茄 (Solanum pennellii) 中形成的代谢机制，并解析了野生与栽培番茄 (Solanum lycopersicum) 之间酰基糖多样性差异的分子机制。
代谢劫持：SpBACS1连接两大初级代谢模块驱动长支链酰基糖产生
研究团队利用番茄渐渗系 (Introgression lines, IL) 群体和回交重组自交系 (Backcross Inbred Line, BIL) 群体在IL 2-5中定位到一个表皮毛富集的基因SpBACS1与长支链酰基糖的形成密切相关。生化分析和稳定同位素标记证明，SpBACS1编码一种定位于叶绿体的酰基辅酶A合成酶，能够催化短链支链脂肪酸 (iC4/iC5) 形成相应的酰基辅酶A (iC4-CoA/iC5-CoA) ，随后作为非经典的脂肪酸延伸起始底物被叶绿体脂肪酸延长体系利用，最终生成用于酰基糖组装的长支链酰基链 (iC10/iC11/iC13) 。
值得注意的是，支链氨基酸代谢途径产生的短链支链酰基辅酶A (iC4-CoA/iC5-CoA)通常在线粒体中形成，由于区室化限制，无法直接作为叶绿体脂肪酸延长体系的起始底物。SpBACS1通过在叶绿体中重新生成可供延长利用的短链支链酰基辅酶A，改变了这一类起始单元的分布，使其参与到脂肪酸延长和酰基糖的合成过程中。这一发现揭示了植物如何通过重新利用已有初级代谢模块，构建新的次生代谢途径。
调控分化：顺式调控与亚细胞定位驱动代谢演化
为了解析野生番茄与栽培番茄之间长支链酰基糖差异产生的原因，研究团队比较了两个物种中多个ACS家族成员的蛋白功能、表达模式以及亚细胞定位。研究发现，这一性状的差异并非源于关键酶BACS1催化功能的改变，而是两种独立的调控机制共同导致。
首先，栽培番茄同源基因SlBACS1虽保留催化功能，但由于启动子顺式调控序列发生分化，丧失了在酰基糖合成相关腺毛中的特异表达。同时，旁系同源蛋白SpBACS2发生了线粒体新定位，从而与叶绿体脂肪酸延长体系发生区室隔离，无法参与长支链酰基链的合成。通过利用野生番茄SpBACS1的启动子驱动SlBACS1在栽培番茄中表达，研究团队成功恢复了栽培番茄长支链酰基糖的产生，证明了基因表达调控和蛋白空间定位变化在植物代谢差异形成中的关键作用。
综上，该研究揭示了植物在不改变蛋白催化功能的情况下，通过基因表达调控和亚细胞定位变化重新配置已有初级代谢模块，驱动抗虫代谢物酰基糖结构多样性的形成机制。该研究深化了对植物代谢多样性演化机制的认识，并为通过精准调控代谢途径改良作物防御性状提供了新策略。
浙江大学农业与生物技术学院博士研究生王健菁为本文第一作者，范鹏祥研究员为通讯作者。浙江大学喻景权院士、夏晓剑教授、周杰教授、周文武研究员、胡璋健副研究员以及密歇根州立大学Robert Last教授对本研究提供了重要的指导和支持。感谢浙江大学杨峰俊博士和浙江省农业科学院刘晨旭博士对本研究给予的帮助。本研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金和美国国家科学基金会的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-76062-w
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