Nature Communications | 澳门大学/北京中医药大学/云南农业大学发文揭示药用植物化学防御的新机制！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者周小马

在自然界中，植物利用大量次生代谢物来抵御病原体和植食性昆虫。这些防御性代谢物可分为两大类：直接作用于病原体或植食性昆虫的组成型防御代谢物（植物抗毒素）和针对侵害者特异性产生的诱导型防御化合物（植物保卫素）。与组成型防卫相比，诱导型防卫在能量上更经济，在植物化学防卫中发挥着重要作用。诱导型防御中的特殊代谢物通常对植物、病原体或植食性昆虫有毒。因此，植物进化出了防止自毒的双组分化学防御系统，以帮助平衡植物生长和防御需求。例如，防御化合物通常以非活性糖基化形式储存。除了保护植物免受自毒，糖基化还能增加防御化合物的溶解度，从而促进其储存，通常储存在液泡中。

当植物细胞受到植食性昆虫或病原体入侵的破坏时，糖基化的化合物会选择性地水解糖苷键，产生有毒的防御化合物。这种水解反应是由β-糖苷酶催化的，在生理条件下，β-糖苷酶与其底物在空间上是分离的，但在组织受损时，β-糖苷酶会与底物相遇。因此，这种由两部分组成的化学防御系统包括糖基化的防御化合物和相应的 β-糖苷酶，可对植食性昆虫或病原体立即做出化学反应。虽然β-糖苷酶已被证明在多种植物的化学防御中起着决定性作用，但在人参属植物中还没有关于这些酶的报道。

在分类学上，五加科人参属包括几个具有很高药用价值和经济价值的重要人参品种，其中包括三七（Panax notoginseng）、人参（Panax ginseng）和花旗参（Panax quinquefolium）。三七的种植主要局限于中国南方；该物种的根因可用于预防和治疗各种血液病和缺血性心血管疾病而备受推崇。三七对阳光高度敏感，需要在阴暗、温暖、潮湿的环境中生长。这些严格的栽培要求和漫长的收获周期增加了植物感染病原体的可能性。目前已发现 20 多种影响五加科植物生长的叶面和根部病害，包括由槭菌刺孢（Mycocentrospora acerina）引起的圆斑病、由人参链格孢（Alternaria panax）引起的黑斑病和由尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）引起的烂根病。这些真菌病害极大地威胁着三七的质量和产量，严重阻碍了三七产业的可持续发展。

在进化过程中，三七部署了大量特殊的次级代谢产物，帮助它们解决病原体的侵袭。具有 PPD 和PPT 苷元的达玛烷三萜皂苷被称为人参皂苷，在植物中具有防御功能 ，也是三七的主要药理成分。这些人参皂苷分布在五加科植物的不同部位，如根茎、根、叶、花序和果序。人参皂苷 Rc、Rb2 和 Rb3 被归类为 PPD 型人参皂苷，是三七叶片（PNLs）中的主要化学成分，但在根中的含量微乎其微。科研人员以前的研究表明，PNLs 中的主要人参皂苷在 C-3 位点上具有共同的 β-1,2-葡萄糖苷连接，在水中进行超声波提取时，通过选择性地去除一个外层葡萄糖残基，可以完全水解形成相应的稀有人参皂苷，这种人参皂苷的水解作用被推测为 PNLs 中存在的人参皂苷水解葡萄糖苷酶所致。然而，负责这一反应的 β-葡萄糖苷酶及其在植物化学防御中的作用在很大程度上还不为人所知。

2024年1月18日，国际权威学术期刊Nature Communications发表了澳门大学万建波、北京中医药大学史社坡、云南农业大学何霞红等团队合作的最新研究成果，题为Discovery of plant chemical defence mediated by a two-component system involving β-glucosidase in Panax species的研究论文。

植物通常以非活性形式产生防御代谢物，以尽量减少对自身造成伤害的风险，并在病原体侵袭时在时空上激活这些防御代谢物。这种所谓的双组分系统在各种植物的化学防御中起着决定性作用。在这篇文章中，科研人员发现名贵药材三七进化出了一种双组分化学防御系统，该系统由叶绿体定位的β-葡萄糖苷酶（称为 PnGH1）及其底物 PPD 型人参皂苷组成。在生理条件下，β-葡萄糖苷酶及其底物在细胞中是空间分离的，因此人参皂苷的水解只有在叶绿体破坏时才会被激活，而叶绿体破坏是由病原真菌在接触植物叶片时诱导的胞外酶引起的。PnGH1 介导的水解作用被激活后，通过选择性水解 C-3 位点的外层葡萄糖，产生了一系列极性较低的人参皂苷，这些人参皂苷与前体分子相比，在体外和体内具有更广谱、更强效的抗真菌活性。此外，在同属植物花旗参和人参中也发现了真菌感染时β-葡萄糖苷酶介导的水解作用。科研人员的研究结果揭示了人参物种中的双组分化学防御系统，并为开发人参物种病害防治植物杀虫剂提供了启示。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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