近期，我系潘荣辉团队在植物重要防御激素水杨酸的合成机制研究方面接连取得重要进展。
往期回顾
2024年，该团队在水稻种子淹水发芽研究中鉴定到水稻水杨酸合成的关键酶——定位于过氧化物酶体的肉桂酰辅酶A连接酶（CNL），并发表于《Developmental Cell》。2025年初，该团队在《The Plant Cell》发文，阐明 CNL 是水稻水杨酸合成过程中首个功能特异性关键酶，并利用CNL缺失突变体开展研究，明确了水杨酸在水稻中的生理功能，还对比了拟南芥和水稻两大模式植物中水杨酸合成途径的功能差异。
重磅突破
2025年7月23日，潘荣辉团队与浙江大学范鹏祥团队合作在顶尖期刊《Nature》发表重磅研究，打破了水杨酸合成中被长期广泛接受的苯甲酸羟化酶假设，揭示了水稻中从苯甲酰辅酶A到水杨酸的酯化-羟化-水解（BEBT-BBH-BSE）三步酶联反应模块，首次打通了水稻水杨酸合成途径，并且通过实验证明该模块在其他农作物中也是广泛保守的。
水杨酸（SA）是一种重要的植物防御激素，其基础水平、器官特异性积累及生理作用在不同植物物种间存在显著差异。在已知的两条植物SA 生物合成途径中，异分支酸合酶（ICS）途径在拟南芥中已被完整解析。而苯丙氨酸解氨酶（PAL）途径很可能是水稻SA合成的主要途径，但之前缺乏功能特异的已知反应步骤，无法准确研究该途径的代谢机制和生理功能，导致其在不同植物物种中的SA生物合成过程以及在植物中的生理作用仍有待明确。因此，有必要开展特异性且完全抑制 PAL 途径的研究，并对不同物种及同一物种的不同器官进行直接比较。
为此，潘荣辉团队对水稻（Oryza sativa）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）这两种模式植物的SA合成展开对比研究。这两种植物在生物体及组织水平上的基础 SA 水平和分布差异显著。通过一系列表型观察、生理实验及代谢物水平测定实验，研究人员发现 CNL 是PAL 途径已知的酶中功能特异性最强的酶。基于此，团队通过对水稻和拟南芥的cnl 突变体进行一系列分析，明确了CNL的苯甲酸和水杨酸生物合成贡献具有明显的物种和器官差异，而且CNL仅影响水稻而不影响拟南芥的抗病能力。该研究结果说明，SA相关研究必须考虑物种和器官类型的差异。
该工作在2025年初发表于国际权威期刊Plant Cell上。第一作者是浙江大学水稻生物育种全国重点实验室博士后王玉康。通讯作者是本室潘荣辉研究员和李冉研究员。浙江大学农学院范鹏祥和苗慧莹、中科院植生所辛秀芳、中国水稻研究所水稻生物育种全重室邱结华、密歇根州立大学Jianping Hu等参与了本研究。
图1. CNL对水稻中BA和SA积累的器官特异性贡献
在植物中，水杨酸作为内源性的防御系统信号分子，在农业植物抗病方面发挥着重要作用，其在植物体内的合成机制一直是植物领域的重要研究课题。早在上世纪 60 年代左右，PAL 途径被提出，该途径在水稻、小麦等重要作物的水杨酸合成中起主要作用，然而历经数十年，PAL 途径的具体机制仍未被鉴定。潘荣辉团队基于前期对 CNL 功能的研究基础，结合团队在细胞器代谢功能研究方面的长期经验，通过开展基因共表达和蛋白生化分析发现，过氧化物酶体中的苯甲酰辅酶 A：苄醇苯甲酰转移酶（BEBT）能够催化苯甲酰辅酶 A 生成苯甲酸苄酯。同位素示踪实验表明，苯甲酸苄酯而非苯甲酸是水杨酸合成的中间产物，这一发现打破了该领域 30 年来关于苯甲酸直接羟化形成水杨酸的主流认知。
图2. 苯甲酸不是SA的直接羟基化前体
明确水杨酸合成路径的关键节点后，研究人员通过共表达分析，发现苯甲酸苄酯羟化酶（BBH）正是前人长期寻找的未知羟化酶。体外酶活实验显示，BBH 能够催化苯甲酸苄酯生成水杨酸苄酯。该羟化酶定位于内质网，其功能缺失的突变体中水杨酸含量几乎为零，而外源施加水杨酸苄酯可恢复bbh突变体的水杨酸合成缺陷。
图3. 内质网定位的BBH羟基化苯甲酸苄酯
随后，研究人员发现细胞质定位的水杨酸苄酯水解酶（BSE）可催化水杨酸苄酯生成水杨酸。他们构建了 bse功能缺失突变体，发现该突变体中水杨酸含量大幅下降。通过同位素示踪实验，进一步证实了 BBH 和 BSE 在水杨酸合成中的功能。
图4. OsBSE水解苯甲酸水杨酸酯释放SA
在完整解析水稻中的SA合成途径后，研究人员进一步验证了该途径对水稻抗稻瘟病菌的重要性。此外，通过 VIGS 技术构建棉花、番茄和小麦的相关突变体，发现这些突变体中病菌侵害诱导的水杨酸合成都剧烈减少，水杨酸下游抗病基因的表达也显著下降，证明了这一途径在这些重要作物中的功能保守性。在更广泛的不同植物中，新发现的BEBT-BBH-BSE模块均显著响应病菌，而拟南芥所在的十字花科是例外。
图5. BEBT-BBH-BSE途径的保守性
潘荣辉团队的这些研究系统地揭示了BEBT-BBH-BSE级联反应模块在包括水稻在内等大部分农作物的水杨酸生物合成途径中的关键作用。该研究不仅阐明了长期悬而未决的植物苯丙氨酸起源的SA 生物合成的直接反应机制，还证实了这一模块在多种植物中的保守性，为作物抗病育种提供了新的理论基础和潜在靶点。
该工作在2025年7月发表于国际顶尖期刊Nature上。共同第一作者是浙江大学水稻生物育种全国重点实验室博士后王玉康、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。通讯作者是潘荣辉研究员和范鹏祥研究员。中国工程院院士喻景权也参与了本研究并做出了重要指导和支持。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，美国密歇根州立大学的Jianping Hu教授和Rob Last教授，以及来自西湖大学和之江实验室多位学者也参与了相关工作。中国水稻研究所水稻生物育种全重室的王跃星研究员和寇艳君研究员提供了重要帮助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09280-9