深度科學| 背靠背三篇Nature：水楊酸！

編者語：

“相信很多化學er大學時《有機化學實驗》應該都用到了：“水楊酸”作為原料合成阿司匹林，都講到對它最初的認識來自于柳樹，幾千年過去了，它依舊閃亮。”

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水楊酸簡介

水楊酸（salicylic acid，SA；分子式：HOC6H4COOH）是柳樹皮中的活性成分，數百年來一直被用于消炎和止痛。水楊酸是一種無色（或白色）、味苦的固體，其名稱源自拉丁語salix，意為柳樹。人類歷史上使用廣泛的藥物阿司匹林（Aspirin）便是水楊酸的一種乙酰化衍生物，即乙酰水楊酸。與其他羥基酸類似，水楊酸是許多護膚產品的成分，用于治療脂溢性皮炎、痤瘡、牛皮癬、老繭、雞眼、毛發角化病、黑棘皮癥、魚鱗病和疣（Journal of the American Academy of Dermatology, 2014, 70 (4): 788-792.）。水楊酸可通過Kolbe-Schmitt反應化學合成(圖1），在高壓（100 bar）和高溫（115 °C）下用二氧化碳處理苯酚鈉（苯酚的鈉鹽）來制備，用硫酸酸化產物可得到水楊酸：

圖1. 水楊酸的化學合成

同時，SA也是一種關鍵的植物防御性激素，在植物抵御微生物侵染的過程中至關重要。在生物合成合成方面，水楊酸由氨基酸苯丙氨酸生物合成。在擬南芥中，它可以通過不依賴苯丙氨酸的途徑合成，但其具體合成路徑仍然不清楚。因此，植物體內SA的生物合成途徑受到了廣泛關注。

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研究進展

1.植物中苯甲酰輔酶A三步生物合成水楊酸

四川大學&加拿大英屬哥倫比亞大學張躍林團隊論文“Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants”揭示了種子植物中一種保守的SA生物合成途徑。團隊采用了多學科方法組合，包括基于EMS誘變的正向遺傳篩選、轉錄組學、CRISPR基因編輯、體內外酶活性測定以及植物體內代謝物分析等，在本氏煙草中鑒定出了PAL途徑中SA生物合成的三個關鍵酶和步驟（圖5）：（1）苯甲酰輔酶A和苯甲醇在苯甲酰輔酶A：苯甲醇苯甲酰轉移酶BEBT的催化下發生酯化反應，生成苯甲酸芐酯；（2）苯甲酸芐酯氧化酶BBO繼而對苯甲酸芐酯進行羥基化，產生水楊酸芐酯；（3）水楊酸芐酯水解酶BSH裂解水楊酸芐酯，從而生成水楊酸（SA）。通過在水稻、大豆等主要作物及柳樹、楊樹等多種種子植物中驗證，這條新鑒定的途徑不同于先前基于相對初級的酶學證據所假設的PAL途徑。作者將這條新發現的途徑命名為“PAL/BSH途徑”，這一發現解決了一個長期存在的關于非十字花科植物中SA生物合成的問題，揭示出在十字花科以外的大多數植物中，這條途徑（而非ICS途徑）才是SA生物合成的主要路線（圖2）。這項工作也為研究SA在不同物種間的作用奠定了重要基礎。

圖2. 柳樹、楊樹、大豆、水稻和本氏煙草中已鑒定的SA生物合成途徑的保守性

值得一提的是，該團隊曾在2019年于Science上報道了擬南芥中SA的主要生物合成途徑-ICS途徑中的最后關鍵一環，即氨基轉移酶PBS3催化異分支酸和谷氨酸生成一種之前未知的化合物異分支酸-谷氨酸加合物(IC-9-Glu)，而后者非常不穩定，可自發分解生成SA（Science, 2019, 365(6452), 498-502.）。

2.植物中苯丙氨酸衍生的水楊酸生物合成

浙江大學潘榮輝和范鵬祥團隊論文“Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants”，打破了水楊酸合成中被長期廣泛接受的苯甲酸羥化酶假設。

該研究揭示了水稻中從苯甲酰輔酶A到水楊酸的酯化-羥化-水解（BEBT-BBH-BSE）三步酶聯反應模塊（圖3），首次打通了水稻水楊酸合成途徑，并且通過實驗證明該模塊在其他農作物中也是廣泛保守的。鑒定出三個關鍵酶：

（1）過氧化物酶體中的苯甲酰-CoA：芐醇苯甲酰轉移酶（BEBT），催化苯甲酰-CoA生成苯甲酸芐酯；

（2）內質網相關的細胞色素P450酶（苯甲酸芐酯羥化酶，BBH），將苯甲酸芐酯羥基化生成水楊酸芐酯；

（3）胞質中的水楊酸芐酯酯酶（BSE），最終將水楊酸芐酯水解生成水楊酸。

這一三酶模塊不僅在水稻中介導病原誘導下的SA合成，其表達模式與功能在多種植物中亦高度保守。本研究填補了植物防御激素SA合成機制中的關鍵空白，為構建抗病作物的全新策略奠定了理論基礎。

圖3. BEBT–BBH–BSE模塊在植物SA生物合成中是保守的

3.植物中苯丙氨酸完全生物合成水楊酸

浙江師范大學張艷軍&張可偉、美國布魯克海文國家實驗室劉長軍團隊論文“Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants”，通過對水稻（Oryza sativa）中四個水楊酸缺陷基因（SA-DEFICIENT GENE，OSD1-OSD4）的功能分析，首次完整解析了PAL途徑中SA的生物合成過程（圖4）。具體而言：

（1）OSD1 編碼的肉桂酰輔酶A（cinnamoyl-CoA）合成酶催化反式肉桂酸轉化為肉桂酰-CoA；該產物在過氧化物酶體中經由β-氧化途徑轉化為苯甲酰-CoA；

（2）隨后，過氧化物酶體中由苯甲酰轉移酶 OSD2 將苯甲酰-CoA轉化為苯甲酸芐酯；該中間體再由位于內質網膜上的細胞色素P450酶 OSD3 催化羥基化為水楊酸芐酯；

（3）最終，由胞質中的羧酸酯酶 OSD4 將其水解生成水楊酸。

進化分析表明，PAL途徑早在裸子植物分化之前就已建立，并在多數種子植物中得以保留。在水稻中激活PAL途徑顯著提高了水楊酸水平和植物免疫力。本研究的完成不僅填補了SA合成路徑中的關鍵空白，也為理解不同植物中SA的主導合成機制提供了重要線索，并為精準調控農作物免疫力提供了新靶點。

圖4.PAL依賴的SA生物合成的完整路徑

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水楊酸的發現歷史

早在公元前約1500-3000年，古蘇美爾人(Sumerians)和古埃及人(Egyptians)就開始利用白柳(Salix alba)治來治療“疼痛性腸梗阻”、避孕、“吐血者”、去除老繭和雞眼，以及作為“痛風暖敷”。同時，在歐洲和中國，人們用它來治療這些疾病，埃及、蘇美爾和亞述的文獻中都提到了這種療法。中國《神農本草經》將柳枝、葉、根分別歸類，用于祛痰明目與解毒（柳葉，治馬疥痂瘡。柳實，潰癰，逐膿血）；明代的李時珍在《本草綱目》中細化了柳葉煎湯治療丹毒的工藝（小兒丹毒，用柳葉一斤，加水一斗，煮取汁三升， 洗患處），與現代水楊酸的提取原理有一定的相似之處。古埃及醫學著作《Eberspapyrus》記錄柳樹（Willow，圖5）可以作為消炎（Anti-inflammatory）和鎮痛（Pain reliever）的藥物，來治療廣譜的疼痛和不適。公元前約400年左右，古希臘名醫希波克拉底（Hippocrates）將柳樹葉泡茶來緩解孕婦生產時的痛苦。William Turner在1597年重復了這一說法，稱柳樹皮“燒成灰燼，浸泡在醋中，可以去除腳和腳趾上的雞眼和其他類似的腫塊。1763年，來自英國牧師Edward Stone報告稱，柳樹皮具有退燒功效。

圖5. 柳樹

1828年，德國化學家Johann Andreas Buchner成功從柳樹中分離出了其活性成分，一種嘗起來苦味的黃色晶體，并根據柳樹的拉丁名Salix alba，命名為Salicin（水楊苷，水解后可以得到水楊醇，氧化后生成水楊酸），1829年，法國化學家Henri Leroux分離出了大量這種物質。意大利化學家Raffaele Piria將該物質轉化為一種糖和另一種成分，后者經氧化后變成水楊酸，所以很長一段時間Salicin曾是合成水楊酸類藥物的主要來源。1830年，瑞士化學家Johann Pagenstecher從繡線菊（Filipendula ulmaria）中也提取到了Salicin，隨后德國研究者Karl Jacob L?wig也成功從該植物中分離出了Salicin。他們的提取物會引起消化問題，例如胃部刺激、出血、腹瀉，大劑量服用甚至會導致死亡。1838年意大利化學家Raffaele Piria通過化學方法用水楊苷制得了一種無色針狀晶體，并將其命名為Salicylic acid（水楊酸），這是有記錄的人們第一次獲得純化的水楊酸。1853年，法國化學家Charles Frédéric Gerhardt確定了水楊酸的化學式，并首次化學合成了乙酰基水楊酸。19世紀下半葉，其他一些化學家設計出了更高效的合成方法。

1874年，蘇格蘭醫生Thomas MacLagan嘗試用水楊苷治療急性風濕病，并取得了顯著成功，這發表于1876年的《柳葉刀》雜志（The Lancet, 1876, 108, 2774.）。與此同時，德國科學家嘗試使用水楊酸鈉，但效果較差，副作用也更為嚴重。1897年，德國化學家Felix Hoffmann在染料和藥物公司拜爾（Bayer）工作期間，在水楊酸上添加一個乙酰基(Acetyl group)可以改善對胃的刺激性副作用，隨后拜爾公司對這項研究申請了專利。Bayer將乙酰基水楊酸命名為阿司匹林（Aspirin），其中A代表乙酰基Acetyl，spir代表植物Spiraea ulmaria，in則是當時藥物普遍使用的后綴名。在隨后的幾十年里，阿司匹林被進行了一系列臨床試驗，并一度成為了世界上使用最廣的藥物之一。雖然阿司匹林會對腸胃有一些刺激性副作用，它依然是目前治療心血管疾病的常用藥物。

注意：阿司匹林合成后，Hoffmann想改造嗎啡，以生成一種成癮性較低的止咳藥物可待因，卻合成了二乙酰嗎啡（海洛因，圖6），當時被拜爾公司以不會成癮的止咳藥出售(1898-1910年)，極為暢銷。口服后，海洛因經過代謝，脫去乙酰基，轉化為嗎啡，效果及風險與口服嗎啡相同，而拜爾公司試圖隱瞞，一度名譽掃地。

圖6. 嗎啡、可待因和海洛因的化學結構（識毒、防毒、拒毒）

1979年，研究發現水楊酸鹽參與了煙草對抗煙草花葉病毒的誘導防御（Plant Physiology. 1992, 99(3), 799-803.）。1987年，水楊酸被鑒定為人們長期尋找的導致產熱植物（如巫毒百合，Sauromatum guttatum）產生熱量的信號（Science, 1987, 237 (4822), 1601-1602.）。水楊酸是一種酚類植物激素，在植物中發揮作用，參與植物的生長發育、光合作用、蒸騰作用以及離子的吸收和運輸。水楊酸參與內源信號傳導，介導植物防御病原體。它通過誘導致病相關蛋白質和其他防御性代謝物的產生，在抵抗病原體（即系統獲得性抗性）中發揮作用。植物體內的水楊酸由分支酸（chorismate）通過兩條獨立途徑合成：一條是異分支酸合成酶（Isochorismate Synthase, ICS）合成途徑，另外一條是苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase, PAL）合成途徑（圖7）。在ICS途徑中：質體中的ICS將分支酸（CA）轉化為異分支酸（IC）；IC由MATE轉運蛋白EDS5轉運至細胞質；之后，PBS3將IC轉化為異分支酸-9-谷氨酸（IC-9-Glu）；IC-9-Glu可自發或被EPS1降解生成SA。在PAL途徑中： PALs將苯丙氨酸（Phe）轉化為反式肉桂酸（trans-CA）；trans-CA通過AIM1介導的β-氧化途徑（β-oxidation）進一步轉化為苯甲酸（BA）。隨后，BA通過一種尚未鑒定的苯甲酸2-羥化酶的作用產生水楊酸（SA）。

圖7. 植物中已知的水楊酸（SA）合成途徑

04

總結

三篇重磅研究論文同期,《Nature》配發了一篇題為“Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid”的“News & Views”評論文章，由植物生物學領域專家Jiyeon Hyun與Heejin Yoo撰寫。

評論中指出，這三項獨立研究共同填補了植物水楊酸PAL途徑中缺失已久的關鍵步驟，揭示了從苯甲酰輔酶A到水楊酸的完整三步反應，不僅破解了橫跨多個物種的免疫代謝謎團，也推翻了長期以來“苯甲酸直接羥化生成水楊酸”的假設模型。

評論強調，三篇論文采用互補的物種和策略，卻不約而同地識別出同一三酶模塊，凸顯其進化保守性與功能通用性。

此外，作者也提出了新的科學問題，如該通路在細胞器間的動態協同機制、與系統性獲得性抗性（SAR）的整合方式等，呼吁未來深入探索。

圖8. 植物用來制造水楊酸的途徑

參考文獻：

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5. Jiyeon Hyun & Heejin Yoo, Missing steps uncovered in a pathway plants use to produce the defence molecule salicylic acid, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/d41586-025-02131-7.

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