編者語：

“相信很多化學(xué)er大學(xué)時《有機(jī)化學(xué)實驗》應(yīng)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(rèn)識來自于柳樹，幾千年過去了，它依舊閃亮。”

01

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(shù)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?；苌?，即乙酰水楊酸。與其他羥基酸類似，水楊酸是許多護(hù)膚產(chǎn)品的成分，用于治療脂溢性皮炎、痤瘡、牛皮癬、老繭、雞眼、毛發(fā)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(yīng)化學(xué)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(chǎn)物可得到水楊酸：

圖1. 水楊酸的化學(xué)合成

同時，SA也是一種關(guān)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(guān)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(nèi)SA的生物合成途徑受到了廣泛關(guān)注。

02

研究進(jìn)展

1.植物中苯甲酰輔酶A三步生物合成水楊酸

四川大學(xué)&加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)張躍林團(tuán)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(tuán)隊采用了多學(xué)科方法組合，包括基于EMS誘變的正向遺傳篩選、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、CRISPR基因編輯、體內(nèi)外酶活性測定以及植物體內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)移酶BEBT的催化下發(fā)生酯化反應(yīng)，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(jìn)行羥基化，產(chǎn)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(xué)證據(jù)所假設(shè)的PAL途徑。作者將這條新發(fā)現(xiàn)的途徑命名為“PAL/BSH途徑”，這一發(fā)現(xiàn)解決了一個長期存在的關(guān)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(shù)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(chǔ)。

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(tuán)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(guān)鍵一環(huán)，即氨基轉(zhuǎn)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(wěn)定，可自發(fā)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(xué)潘榮輝和范鵬祥團(tuán)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(shè)。

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(lián)反應(yīng)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(nóng)作物中也是廣泛保守的。鑒定出三個關(guān)鍵酶：

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

（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的細(xì)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(zhì)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(dǎo)病原誘導(dǎo)下的SA合成，其表達(dá)模式與功能在多種植物中亦高度保守。本研究填補(bǔ)了植物防御激素SA合成機(jī)制中的關(guān)鍵空白，為構(gòu)建抗病作物的全新策略奠定了理論基礎(chǔ)。

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(xué)張艷軍&張可偉、美國布魯克海文國家實驗室劉長軍團(tuán)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(zhuǎn)化為肉桂酰-CoA；該產(chǎn)物在過氧化物酶體中經(jīng)由β-氧化途徑轉(zhuǎn)化為苯甲酰-CoA；

（2）隨后，過氧化物酶體中由苯甲酰轉(zhuǎn)移酶 OSD2 將苯甲酰-CoA轉(zhuǎn)化為苯甲酸芐酯；該中間體再由位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細(xì)胞色素P450酶 OSD3 催化羥基化為水楊酸芐酯；

（3）最終，由胞質(zhì)中的羧酸酯酶 OSD4 將其水解生成水楊酸。

進(jìn)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(shù)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(bǔ)了SA合成路徑中的關(guān)鍵空白，也為理解不同植物中SA的主導(dǎo)合成機(jī)制提供了重要線索，并為精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)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

03

水楊酸的發(fā)現(xiàn)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(fēng)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(xiàn)中都提到了這種療法。中國《神農(nóng)本草經(jīng)》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(xì)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(xiàn)代水楊酸的提取原理有一定的相似之處。古埃及醫(yī)學(xué)著作《Eberspapyrus》記錄柳樹（Willow，圖5）可以作為消炎（Anti-inflammatory）和鎮(zhèn)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(yī)希波克拉底（Hippocrates）將柳樹葉泡茶來緩解孕婦生產(chǎn)時的痛苦。William Turner在1597年重復(fù)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(xué)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(jù)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(xué)家Henri Leroux分離出了大量這種物質(zhì)。意大利化學(xué)家Raffaele Piria將該物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種糖和另一種成分，后者經(jīng)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(xué)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?xí)?dǎo)致死亡。1838年意大利化學(xué)家Raffaele Piria通過化學(xué)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(xué)家Charles Frédéric Gerhardt確定了水楊酸的化學(xué)式，并首次化學(xué)合成了乙酰基水楊酸。19世紀(jì)下半葉，其他一些化學(xué)家設(shè)計出了更高效的合成方法。

1874年，蘇格蘭醫(yī)生Thomas MacLagan嘗試用水楊苷治療急性風(fēng)濕病，并取得了顯著成功，這發(fā)表于1876年的《柳葉刀》雜志（The Lancet, 1876, 108, 2774.）。與此同時，德國科學(xué)家嘗試使用水楊酸鈉，但效果較差，副作用也更為嚴(yán)重。1897年，德國化學(xué)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?；?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?；畻钏崦麨榘⑺酒チ郑?/b>Aspirin），其中A代表乙?；?/b>Acetyl，spir代表植物Spiraea ulmaria，in則是當(dāng)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(jìn)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(dāng)時被拜爾公司以不會成癮的止咳藥出售(1898-1910年)，極為暢銷?？诜螅Ｂ逡蚪?jīng)過代謝，脫去乙?；?，轉(zhuǎn)化為嗎啡，效果及風(fēng)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(xué)結(jié)構(gòu)（識毒、防毒、拒毒）

1979年，研究發(fā)現(xiàn)水楊酸鹽參與了煙草對抗煙草花葉病毒的誘導(dǎo)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(dǎo)致產(chǎn)熱植物（如巫毒百合，Sauromatum guttatum）產(chǎn)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(fā)揮作用，參與植物的生長發(fā)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(nèi)源信號傳導(dǎo)，介導(dǎo)植物防御病原體。它通過誘導(dǎo)致病相關(guān)蛋白質(zhì)和其他防御性代謝物的產(chǎn)生，在抵抗病原體（即系統(tǒng)獲得性抗性）中發(fā)揮作用。植物體內(nèi)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(zhì)體中的ICS將分支酸（CA）轉(zhuǎn)化為異分支酸（IC）；IC由MATE轉(zhuǎn)運蛋白EDS5轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)；之后，PBS3將IC轉(zhuǎn)化為異分支酸-9-谷氨酸（IC-9-Glu）；IC-9-Glu可自發(fā)或被EPS1降解生成SA。在PAL途徑中： PALs將苯丙氨酸（Phe）轉(zhuǎn)化為反式肉桂酸（trans-CA）；trans-CA通過AIM1介導(dǎo)的β-氧化途徑（β-oxidation）進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(chǎn)生水楊酸（SA）。

圖7. 植物中已知的水楊酸（SA）合成途徑

04

總結(jié)

三篇重磅研究論文同期,《Nature》配發(fā)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(xué)領(lǐng)域?qū)＜襃iyeon Hyun與Heejin Yoo撰寫。

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

評論強(qiáng)調(diào)，三篇論文采用互補(bǔ)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(jìn)化保守性與功能通用性。

此外，作者也提出了新的科學(xué)問題，如該通路在細(xì)胞器間的動態(tài)協(xié)同機(jī)制、與系統(tǒng)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(xiàn)：

1. Dmitrij Rekhter, Daniel Lüdke, Yuli Ding, Kirstin Feussner, Krzysztof Zienkiewicz, Volker Lipka, Marcel Wierme, Yuelin Zhang, & Ivo Feussner, Isochorismate-derived biosynthesis of the plant stress hormone salicylic acid, Science, 2019, 365(6452), 498-502.

2. Yanan Liu, Lu Xu, Mingsong Wu, Jingjie Wang, Dan Qiu, Jiameng Lan, Junxing Lu, Yang Zhang, Xin Li & Yuelin Zhang, Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09185-7.

3. Yukang Wang, Shuyan Song, Wenxuan Zhang, Qianwen Deng, Yanlei Feng, Mei Tao, Mengna Kang, Qi Zhang, Lijia Yang, Xinyu Wang, Changan Zhu, Xiaowen Wang, Wanxin Zhu, Yixiao Zhu, Pengfei Cao, Jia Chen, Jinheng Pan, Shan Feng, Xianyan Chen, Huaxin Dai, Shiyong Song, Jinghua Yang, Tianlun Zhao, Fangbin Cao, Zeng Tao, Xingxing Shen, Robert L. Last, Jianping Hu, Jingquan Yu, Pengxiang Fan & Ronghui Pan, Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09280-9.

4. Bao Zhu, Yanjun Zhang, Rong Gao, Zhihua Wu, Wei Zhang, Chao Zhang, Penghong Zhang, Can Ye, Linbo Yao, Ying Jin, Hui Mao, Peiyao Tou, Peng Huang, Jiangzhe Zhao, Qiao Zhao, Chang-Jun Liu & Kewei Zhang, Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants, Nature, 2025, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09175-9.

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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