代谢组学、基因组学揭示菊科植物中菊苣酸生物合成新途径的趋同进化

文章题目：Functional divergence of tandem duplicate SCPL acyltransferase genes reveals convergent evolution of chicoric acid biosynthesis

期刊名称：Science Advances

影响因子：12.5

研究方法：代谢组学、基因组学

发文单位：四川大学

研究背景

菊苣酸（二咖啡酰酒石酸）是咖啡酸衍生物，1958年首次在菊苣中被发现，具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗癌、抗病毒及免疫增强等多种活性，对人体健康具有重要价值。菊苣酸是著名药用植物紫锥菊（Echinacea purpurea）的核心活性成分，其生物合成途径与调控网络已被解析。本研究报道了菊苣族中一条不同于松果菊属的菊苣酸生物合成途径。

主要结果

1、串联重复SCPL基因参与菊苣酸生物合成

系统发育分析发现了4个参与菊苣酸合成的SCPL酰基转移酶，分别是LsSCPL1-4。这4个基因在生菜1号染色体上呈串联排列，均含保守的丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸催化三联体，该结构对丝氨酸蛋白酶水解活性及SCPL酰基转移酶活性至关重要。这4个基因在MeJA处理后表达量显著上调，同时菊苣酸、绿原酸、咖啡酒石酸含量升高，进一步证实其参与菊苣酸合成。多基因编辑技术结合代谢组学技术证实4个LsSCPL酶不仅参与菊苣酸合成，还调控生菜中咖啡酒石酸生成。

2、LsSCPL2和LsSCPL4为菊苣酸合酶与功能冗余

进一步证实LsSCPL2、LsSCPL4可高效催化咖啡酒石酸与绿原酸生成菊苣酸，而LsSCPL1、LsSCPL3活性极低，证实二者为菊苣酸合酶（CAS）。双敲除LsSCPL2/4后菊苣酸含量显著下降，前体咖啡酒石酸、绿原酸积累；而单敲除菊苣酸及前体物质含量无显著变化，表明二者在生菜毛状根中功能冗余。作者将LsSCPL2、LsSCPL4分别命名为LsCAS1、LsCAS2。

3、LsSCPL1和LsSCPL3为咖啡酒石酸合酶

敲除实验和体外酶活实验证明，LsSCPL1、LsSCPL3参与咖啡酒石酸合成。分别命名为LsCFS1、LsCFS2。生菜中SCPL型CFS催化咖啡酒石酸合成，而松果菊属中BAHD型HTT负责该反应，揭示了生菜与松果菊属中咖啡酒石酸合成的趋同进化。此外，SCPL型CFS的发现为菊苣酸合成提供了新途径：LsCFS1与LsCAS2双酶一锅反应，可直接将酒石酸与绿原酸转化为菊苣酸。

4、LsSCPL酰基转移酶受体特异性的分子机制

选取LsCFS1、LsCAS2，解析决定底物特异性的关键氨基酸。蛋白结构显示，二者整体框架相似，但活性口袋存在显著差异：LsCAS2的F298（苯丙氨酸）无羟基，活性口袋更大，可容纳咖啡酒石酸；LsCFS1中Y299的羟基可与E278（谷氨酸）形成酯键，活性口袋更小，适配酒石酸等小分子受体。这些结果证实，单个关键氨基酸（F/Y）的替换可缩小活性口袋，改变LsSCPL酰基转移酶的底物特异性。

5、SCPL酰基转移酶基因在菊苣酸合成中的进化

为探究菊苣酸合成途径的保守性，选取菊苣属的菊苣、栽培菊苣，蒲公英属的蒲公英，莴苣属的野莴苣进行分析，均存在同源串联SCPL基因簇；系统发育分析显示，这些SCPL酰基转移酶分为CFS、CAS两大分支，且CFS分支成员均含酪氨酸、CAS分支成员均含苯丙氨酸。

菊苣中的CiSCPL1表现出CFS活性，优先催化咖啡酒石酸合成，CiSCPL2表现出CAS活性，优先催化菊苣酸合成，与生菜的LsSCPL功能分化一致。而向日葵、茼蒿等非菊苣族、不产咖啡酒石酸和菊苣酸的物种中，无此类串联SCPL基因簇。上述结果证实，串联重复SCPL基因在菊苣族中保守存在，负责完整菊苣酸合成，体现菊科植物菊苣酸生物合成的趋同进化。

研究总结

本研究在解析松果菊属菊苣酸合成途径的基础上，通过系统发育分析证实：生菜中串联重复SCPL基因完整调控菊苣酸及其前体咖啡酒石酸合成，为优质生菜品种选育提供分子标记；SCPL型CFS的发现，揭示了菊科植物菊苣酸生物合成的趋同进化，阐明了植物次级代谢酰化过程的复杂性；串联重复SCPL酰基转移酶基因的功能分化，凸显了基因复制与突变在植物次级代谢产物多样性形成中的核心作用。菊科不同谱系进化出差异化菊苣酸合成途径，进一步证实菊苣酸对植物具有重要生物学与生态学价值。