早在东汉时期，柳枝具有的“祛风、止痛”功效就详细记载于《神农本草经》；19世纪，人类首次从柳树中提取出了其止痛功效的关键成分——水杨酸，并将其进一步合成为闻名于世的药物阿司匹林。

团队合影。（浙大供图）

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水杨酸不仅是人类医药宝库中的重要成员，更是植物抵御病害的关键激素，在农业植物抗病中发挥重要作用。然而，水杨酸在植物内的完整合成通路一直是个未解之谜。

7月23日，浙江大学农业与生物技术学院作物学科潘荣辉研究员团队和园艺学科范鹏祥研究员团队合作在《自然》发表突破性研究，破解了植物合成水杨酸的谜题。这项研究不仅破解了长期悬而未决的科学难题，重写了植物水杨酸合成的经典理论，也有望为未来培育广谱抗病农作物提供全新的“导航图”。

本文共同第一作者是浙江大学农学院博士后王玉康、浙大杭州国际科创中心研究员宋书言和农学院2024级博士生张文轩。

破解植物免疫通路的世纪谜题

作为植物防御系统的核心调控分子，当病原入侵时，水杨酸将吹响植物体抗病响应的“冲锋号”，激活植物中数百个防御基因，帮助植物抵御病原体的侵害。

水杨酸在植物中主要有两大来源通路。潘荣辉团队分析，在水稻、小麦、番茄、棉花等绝大部分植物中，水杨酸很可能主要来源于苯丙烷通路，但该通路的分子机制六十年来悬而未决。“当前学界普遍认为，在该通路中苯甲酸作为羟化底物参与合成水杨酸，但该过程的羟化酶始终未被鉴定出。”潘荣辉说，这一知识盲区限制了作物抗病育种和研究的发展。

基于对植物细胞器功能和植物细胞代谢网络研究的长期研究基础和知识积累，团队在前期研究中，发现了特异性调控水杨酸合成上游通路的基因CNL，打开了破局的关键一步。

以CNL为“诱饵”，团队借助自主研发的AI工具，通过大量的多组学数据关联分析，在水稻中发现分布在植物细胞的过氧化物酶体、内质网和细胞质三个区室中的关键合成酶——酰基转移酶、羟化酶和水解酶。

“敲除水稻体内这三个蛋白后，水杨酸合成受阻，这表明这三个酶形成的代谢级联特异性地在植物细胞中合成水杨酸。”潘荣辉说。

“苯甲酸在这些敲除突变体中并不能转化为水杨酸，这让我们意识到，苯甲酸并不是水杨酸的直接前体”王玉康说，这与传统理论认为的苯甲酸直接羟化生成水杨酸相矛盾了。

“正是对细胞代谢网络的长期专注，让我们敢于跳出传统框架，去探索一个全新的反应机制。”范鹏祥说。

环环相扣的假设与验证

酶是植物细胞内的“工匠”，各自在专属的“工作间”，负责着特定种类的工作。植物受到病原体刺激时，酶会被激活并同时开始“打卡上班”。结合发现的三种酶在细胞内代谢反应的时间、空间分布，团队一步步推导并验证着水杨酸可能的合成路径。

实验的最开始他们就遇到了挑战。

“在敲除转移酶的水稻突变体中，外源添加苯甲酸后，水杨酸的转化并没有增加，我们怀疑实验是不是出错了，但重复多次依然显示出一样的实验结果。”王玉康说，在与导师们交流后，他们大胆假设：苯甲酸可能不是直接的反应物，而是需要先转化成另一种形态。团队尝试把推测的中间产物苯甲酸苄酯，添加到突变体里中，结果令人振奋：水杨酸的合成恢复了正常！

为了“眼见为实”，团队采用同位素示踪技术，给反应中的苯甲酸装上“定位器”，清晰追踪到它先变成了苯甲酸苄酯。“这让我们意识到，旧理论的第一步就错了，生成水杨酸的真实前体，是苯甲酸苄酯！”张文轩说。

后续研究中的另一大难点是酶活性的检测，尤其是第二步反应涉及的羟化酶。成员们尝试了多种传统的纯化方法，都没能测出酶的活性。这个酶很挑剔，只有在它专属的‘工作间’内质网膜上才能正常工作。“我们参考了大量文献，最终改进实验方法，成功在叶片的‘工作间’内测到了它的活性，并再次通过同位素示踪证明，它将苯甲酸苄酯精准地转化为了水杨酸苄酯”。宋书言说。

攻克这两大难关之后，后面的水解步骤就水到渠成了。至此，一条全新的、由三个酶驱动的水杨酸合成通路被完整揭示。

“我们的研究证明，苯甲酸并非水杨酸的直接前体，它必须先转化为苯甲酸苄酯，才能进入水杨酸合成途径。”范鹏祥说，这一发现不仅颠覆了主流假说，更为农业作物抗病育种提供了精准靶标。

多物种、跨学科的协同攻关

本研究覆盖了大田粮食作物和主要园艺作物等多个植物物种。研究团队联合农学院作物、园艺、植保三个一级学科的多个课题组，在水稻、棉花、番茄、小麦等多种作物上均验证了这条新通路的广泛存在和保守性。

“我们发现这个通路在多个主要粮食和园艺作物的抗病防御过程中具有广泛保守机制。”潘荣辉说，“若没有学院多学科团队的鼎力相助，凭一己之力不可能完成如此系统的研究。”

中国工程院院士喻景权是本研究的参与者，见证了整个研究历程，他激动的说道：“这项研究既像一次‘分子考古’，破解了千年草药和农作物中活性物质的合成之谜，也为人类未来应对全球农作物病害挑战提供了新的理论基础和精密工具，为未来可持续农业的发展奠定一块重要基石。”

此外，浙江大学农学院作物学科曹方彬副教授、赵天伦研究员、宋士勇研究员，植保学科沈星星研究员、陶增研究员，园艺学科杨景华教授，以及来自美国密歇根州立大学、西湖大学和之江实验室多位学者也参与了相关工作。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09280-9