植物，是自然界中的天然化學工廠，能夠製造出數千萬種小分子化合物，每種都具備獨特的生物功能和活性。揭示植物如何巧妙地安排這些化合物的生產，就像是解開自然界中最複雜的密碼。成功破解這一密碼，便能為提升植物和人類健康開辟一條新路徑。一種植物能合成超過5000種植物次生代謝產物（PSMs），這些PSMs在不同種群、組織、細胞及生態環境中表現出極大的分布差異。那麼，植物為何同時產生如此多樣化的次生代謝產物呢？
近日，万博英超狼队网官方网 白悅辰團隊受邀在 Annual Review of Plant Biology雜誌發表了題為Using synthetic biology to understand the function of plant specialized metabolites的長文綜述，對近六十年來的植物防禦機製理論進行了全麵的回顧，並詳細梳理了利用合成生物學技術合成植物次生代謝產物的最新研究進展。此外，文章整合了植物生物學（尤其是達爾文進化論）、化學生態學及合成生物學的相關理論，從學科交叉視角提出合成生物學在植物功能代謝領域研究的新範式。
代謝組學和分子生物學的發展為深入理解植物次生代謝物（PSMs）的功能奠定了堅實的基礎。合成生物學技術的應用，能夠提供高純度、大量、立體特異性以及結構複雜的化合物，極大推動了PSMs功能研究和醫學領域的應用。通過合成生物學，我們得以重新設計PSMs的轉運、結構多樣性、共進化及異源表達等特性，為闡釋植物在特定組織細胞和生態環境中產生多樣化PSMs的原因提供了新的視角。植物通過其PSMs來應對生態挑戰，合成生物學則加速了我們對這些PSMs進化功能的理解。
植物次生代謝物功能的最初研究源於有機化學家和研究昆蟲的生物學家之間的合作，這些昆蟲的防禦和信息素化學特性相對簡單，通常是在特定器官以高濃度產生的簡單化學結構。隨著研究領域擴展至植物更具挑戰性的化學物質，分析化學家和分子生物學家加入了這一合作。盡管有機化學家貢獻了合成的PSMs，但這些PSMs通常過於微量或不穩定，無法從植物中直接提純，並麵臨實現PSMs多個手性中心的準確性挑戰。分子生物學家提供創造無PSMs植物的手段，而生物學家利用這些工具進行功能測試，通常通過實驗室生物測定，並通過自然曆史觀察進一步驗證功能假設。這種方法為次生代謝物功能提供了客觀的分析視角，通過觀察植物與天敵、病原體、益生微生物、傳粉者、天敵及競爭者等自然群落的相互作用，提出並驗證功能假設（見圖1）。
圖1 展示了對PSM缺失或沉默植物的生態挑戰，以研究PSMs的生物學功能。
本文回顧了植物次生代謝物（PSMs）功能研究領域的發展曆程，提出了一個包含自然選擇、重構、測試和學習四個階段的迭代循環流程，用於深入探索PSMs的功能（見圖2）。在這個循環中，自然選擇充當了設計師的角色，指引我們識別出那些與特定生態環境中的生存能力相關的PSMs及其遺傳變異。接下來，通過整合生物信息學、代謝組學、蛋白質工程和合成生物學等跨學科的先進技術和方法，我們能夠執行PSMs的合成、定量分析、遺傳改造以及PSMs途徑的異源表達等關鍵步驟。通過將這些改造植物重新引入自然環境並進行詳細的自然曆史觀察，我們能夠測試與它們功能相關的眾多假說，從而進一步深入理解PSMs的作用機製。
圖2 修改合成生物學的迭代循環以理解自然選擇
文章同時全麵回顧了過去六十年提出的多個關於植物防禦機製的理論。這些理論長期以來難以得到驗證，主要原因在於缺少充足的數據支撐。然而，隨著非靶向代謝組學技術的快速發展，如今我們能夠在不同層次（物種、種群和個體）上收集到豐富的植物次生代謝產物多樣性的信息，這為驗證這些長期存在的理論提供了新的可能。特別是，合成生物學工具的出現，使得高效異源表達PSMs生物合成途徑成為可能，為這些理論預測的驗證開辟了新途徑（見圖3）。
圖3工程操作驗證PSMs的功能假說
狗万外围充值 作為第一署名單位，万博体育分 的白悅辰作為第一作者，劉新宇博士參與了文章的撰寫。白悅辰青年研究員與德國馬克思普朗克化學生態研究所的Ian Baldwin院士共同擔任該論文的通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-060223-013842