SynBio团队 | 西北农林科大徐凌飞教授、苯乙酮

苯乙酮及其衍生物在植物界和微生物界中分布广泛，具有多样的生物学功能。在植物界，苯乙酮（acetophenone）是茶花和可可豆的主要特征香气物质之一，苯乙酮类物质piceol和pungenol是云杉抵御云杉卷叶蛾危害的关键化学防御物质，而植物转基因实验常被用来提高农杆菌侵染效率的乙酰丁香酮（acetosyringone）,也是一种从烟草中鉴定出的苯乙酮类化合物。更加有趣的是，人类和一些哺乳动物的皮肤微生物群落不仅能合成苯乙酮类物质，这类物质近年来还被证明能够显著吸引蚊虫，是蚊虫更‘青睐’某些人群的关键原因之一。此外，苯乙酮及其衍生物在药物研发中也扮演了重要的角色，比如针对关节炎的AP-PA疗法已在临床获得应用。

尽管苯乙酮及其衍生物的生物学功能已被充分报道，但其生物合成途径仍有待阐明。虽有研究指出苯乙酮可能通过β-氧化途径生成，也有研究通过同位素标记证实苯丙氨酸代谢产生的肉桂酸是苯乙酮的合成前体，然而该合成途径中的具体酶促反应步骤和涉及的酶尚不明确。

【SynBioCon】获悉，2025年9月5日，西北农林科技大学徐凌飞教授带领的梨研究团队在Nature Plants在线发表了题为“Naturally impaired side-chain shortening of aromatic 3-ketoacyl-CoAs reveals the biosynthetic pathway of plant acetophenones”的研究论文（梨领域首篇）。该研究以梨为材料，揭示了苯乙酮类化合物的完整生物合成途

研究人员首先从砀山酥梨叶片中分离和鉴定出了对羟基苯乙酮（云杉素，piceol）的糖基化衍生物云杉苷（picein）。进一步对梨属不同栽培种的研究发现该化合物主要在亚洲梨（白梨种、砂梨种和秋子梨种）叶片中积累，在西洋梨和新疆梨中几乎检测不到这种物质。考虑到梨属植物既有高度杂合的遗传背景，同时种间杂交又不存在生殖隔离，研究人员推测以云杉苷含量差异明显的亲本进行杂交，获得的F1代群体中就有可能出现符合孟德尔遗传定律的性状分离，可以作为定位苯乙酮合成关键基因的切入点和突破口。

为验证这一假设，研究人员调查了多个梨种间杂交的F1代群体中云杉苷的积累情况，发现其符合单基因控制的隐性性状的遗传分离比，并由此定位到一个β-氧化途径中关键酶KAT（3-ketoacyl-CoA thiolase）的编码基因。由于已报道的KAT反应底物与前人预测的苯乙酮合成前体一致，研究人员揭示了一种特殊的代谢分流机制：当KAT活性‘受限’时，β-氧化途径被重新导向苯乙酮合成途径。

为完整地解析这一机制，研究者解析了β-氧化途径中的其他两个核心酶CHD（cinnamoyl-CoA hydratase-dehydrogenase）和TE（thioesterase）在苯乙酮生物学合成途径中扮演的功能。试验结果发现当KAT功能受限时，CHD可将4-香豆酰-CoA（4CA-CoA）转化为4-hydroxy-3-oxo-3-phenylpropanoyl CoA（4H3O3PP-CoA），4H3O3PP-CoA再经TE催化水解形成4-hydroxy-3-oxo-3-phenylpropionic acid并进一步自发脱羧生成云杉素。有意思的是，研究者还通过同源进化分析发现自然界中苯乙酮的生物合成模式与人类利用代谢工程（Metabolic Engineering）生产甲基酮类化合物的策略不谋而合。

最后，该研究还筛选出负责催化云杉素糖基化生成云杉苷的糖基转移酶(PiGT)，揭示了云杉苷生物合成完整路径的最后一步。

该论文的第一作者为西北农林科技大学园艺学院翟锐副教授、在读博士生张红娟和谢银鹏教授，西北农林科技大学徐凌飞教授和李鹏民教授为通讯作者。西北农林科技大学马锋旺教授、管清美教授、张静研究员和新西兰生物产业科学院（Bioeconomy Science Institue）Ross Atkinson博士与深圳大学杜璇教授也对本研究提供了重要支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02082-x

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