早在四千多年前，古埃及人、古希腊人以及中国古代医者就发现，咀嚼柳树皮或饮用其泡制的汤剂，能够有效消炎、止痛、退烧[1]。1828年，德国科学家布赫纳从柳树皮中成功分离出活性成分——水杨苷。1838年，意大利化学家皮里亚首次用水杨苷制得纯化的水杨酸，由此确认了水杨酸是柳树皮中发挥止痛作用的关键物质。1897年，德国拜耳公司的化学家霍夫曼在水杨酸分子上添加了一个乙酰基团生成乙酰水杨酸（图1），显著减轻了水杨酸对胃部的刺激副作用，乙酰水杨酸经胃和小肠吸收进入血液后，快速水解为水杨酸发挥作用。拜耳公司将这一改良后的化合物命名为“阿司匹林”，并于1899年正式推向市场。时至今日，阿司匹林依然是全球使用最广泛的药物之一。
植物如何制造水杨酸——两条途径，一个谜题
在水杨酸作为药物造福人类之前，它已在植物体内默默扮演了数亿年的重要角色。当病原菌入侵时，植物会迅速合成水杨酸，激活防御反应，启动系统获得性抗性（systemic acquired resistance, SAR），让整株植物进入“战备状态”。由此不难发现，水杨酸就是植物版的“阿司匹林”——既是信号兵，又是化学武器。因此，解析水杨酸在植物体内的合成路径也是植物免疫学研究的核心课题之一。
科学家很早就发现，植物可以通过异分支酸合成酶（Isochorismate Synthase，ICS）途径和苯丙氨酸解氨酶（L-phenylalanine ammonia-lyase，PAL）途径来合成水杨酸。借助于拟南芥突变体遗传分析和生物化学分析方法，水杨酸合成的ICS途径已经被完全解析。首先，位于叶绿体的异分支酸合成酶 ICS1和ICS2催化分支酸形成异分支酸，然后定位于叶绿体的MATE转运蛋白EDS5将异分支酸转运到细胞质中，最后位于细胞质的氨基转移酶PBS3催化异分支酸和谷氨酸生成异分支酸-谷氨酸加合物（ISC-9-Glu），并自发分解生成水杨酸。除了ISC-9-Glu自发分解生成水杨酸之外，EPS1能够以酶促方式促进ISC-9-Glu分解形成SA[2]。不过，这条途径只在十字花科植物拟南芥中被完全解析。
相比之下，PAL途径被认为更古老、更普遍，并且在大多数农作物中占据主导地位。该途径以苯丙氨酸为底物，经PAL转化为肉桂酸，再经过一系列反应生成苯甲酸衍生物，最终通向水杨酸。早在1962年，有研究报道提出苯甲酸是植物合成水杨酸的底物的假说[3]。在1995年，有学者发现苯甲酸可能直接被一种“苯甲酸2-羟化酶”（BA2H）羟化，生成水杨酸[4]。当用细胞色素P450抑制剂处理植物时，它确实会阻断水杨酸合成，暗示羟化酶很可能是一种CYP家族成员。虽然苯甲酸合成水杨酸这一假说流行了60余年，但始终无人能够克隆出对应的基因，解开这个谜题。
突破瓶颈：“大海捞针”加上“巧思妙想”
2025年7月23日，《自然》杂志同期发表了三篇来自不同研究团队的重磅论文，分别由浙江师范大学张可伟团队、四川大学张跃林团队和浙江大学潘荣辉团队独立完成[5,6,7]。他们共同揭开了这一百年谜题，完整解析了植物从苯丙氨酸合成水杨酸的基本途径（图2）。
要找到一条代谢途径中缺失的环节，最直接的方法是找到负责催化这些反应的酶和相应基因。但植物的基因组庞大且复杂，从数万个基因中精准锁定目标基因无异于大海捞针。水稻是单子叶植物，其体内水杨酸水平很高，且主要通过PAL途径来合成。张可伟团队首先利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯处理水稻，制造出成千上万个随机突变的突变体，然后再巧妙地使用了一种工程化的细菌生物传感器从中筛选出水杨酸合成缺陷的突变体。这种细菌在遇到水杨酸时会发出生物荧光，且荧光强度与SA含量正相关。通过检测荧光强度，研究团队从数万株植物中迅速锁定了6个水杨酸水平显著降低的突变体，并成功克隆了第一个关键基因——编码“肉桂酰辅酶A连接酶”CNL的OSD1。基于对同一条代谢途径的基因表达模式很可能高度相似的认知，该团队进一步采用了一种“共表达分析”策略，利用公开的基因表达数据库，以OSD1为“诱饵”，筛选得到了一批与之共表达的“候选基因”，进而利用CRISPR基因编辑技术，逐一敲除这些基因，检测哪些会导致水杨酸含量下降，最终得到编码“苯甲酰辅酶A：苯甲醇苯甲酰转移酶”BEB/OSD2、编码“苯甲酸苄酯羟化酶”BB2H/OSD3以及编码“苯甲酸水杨酯酯酶”BSE/OSD4三个全新的基因。
张跃林团队则从烟草入手，利用EMS诱变方法和工程化的细菌生物传感器来筛选水杨酸合成缺陷突变体，结果发现两个突变体在病原菌诱导后几乎不积累水杨酸，进一步定位发现突变位于NbBEBT基因（苯甲酰辅酶A：苯甲醇苯甲酰转移酶）。随后，该团队通过转录组分析筛选病原菌诱导表达的P450基因和酯酶基因，从中鉴定出NbBBO1/2（苯甲酸苄酯氧化酶）和NbBSH1/2（水杨酸苄酯水解酶）。
而潘荣辉团队此前已经发现水稻中肉桂酸辅酶A连接酶（CNL）是苯丙氨酸途径的关键酶，进而采用了“共表达分析”策略，获得了OsBEBT、OsBBH和OsBSE。
综上所述，这两种研究方法，从突变体出发的“正向遗传学”和从基因共表达网络出发的“反向遗传学”形成了完美的互补，促使三个研究团队解析了同一条崭新的水杨酸合成通路 （图2）。
颠覆经典：一条跨越多个细胞车间的“分子流水线”
第一站：过氧化物酶体——“酯化组装车间”
苯丙氨酸经过苯丙氨酸解氨酶的作用被转化为反式肉桂酸，然后进入过氧化物酶体“车间”被肉桂酰辅酶A连接酶CNL激活为肉桂酰辅酶A，随后肉桂酰辅酶A水合酶/脱氢酶CHD和3-酮脂酰辅酶A硫解酶KAT接力，将其转化为苯甲酰辅酶A （图2）。接下来， 苯甲酰辅酶A：苯甲醇苯甲酰转移酶BEBT巧妙地以苯甲酰辅酶A和苯甲醇为原料，将它们“组装”成一个新的酯类化合物——苯甲酸苄酯。这是一个全新的中间产物，因为长期以来学界普遍认为中间体应该是苯甲酸。
第二站：内质网——“羟基化修饰车间”
苯甲酸苄酯变成水杨酸还需要一个关键的修饰：在苯环的特定位置（2号位）加上一个羟基。这个过程需要位于内质网的细胞色素P450酶苯甲酸苄酯2-羟化酶BB2H完成。至此，困扰学界数十年的“羟化酶”终于浮出水面——只不过它的真实底物是苯甲酸苄酯，而非苯甲酸。而这个“车间”位于内质网膜上，这意味着苯甲酸苄酯需要从过氧化物酶体“运输”到内质网。
第三站：细胞质——“终组装车间”
水杨酸苄酯从内质网释放到细胞质后，会被细胞质中的水杨酸苄酯酯酶BSE水解，释放出水杨酸和苯甲醇。值得注意的是，苯甲醇恰好是BEBT酶的底物，推测其可以返回过氧化物酶体被循环利用。
至此，三个团队完整解析了这一条涉及过氧化物酶体、内质网和细胞质三个不同亚细胞区室的“多车间协作流水线”，即苯丙氨酸 → 反式肉桂酸 → 苯甲酰辅酶A → 苯甲酸苄酯 → 水杨酸苄酯 → 水杨酸。
原创性与引领作用：改写教科书，照亮应用前景
自 1962 年有学者提出植物可通过苯甲酸合成水杨酸，至 1995 年苯甲酸2-羟化酶假说被提出以来，众多科学家致力于鉴定催化该反应的关键酶，但始终未能获得明确结果。三个研究团队跳出旧框架，最终找到了真正的羟基化底物和对应的酶。更重要的是，生物信息学研究以及在部分植物中的功能验证推测这一途径在种子植物中高度保守，从单子叶的水稻、玉米，到双子叶的杨柳、大豆、烟草，乃至裸子植物的银杏。唯一的例外是十字花科植物（如拟南芥、油菜），不含有完整PAL途径的代谢酶基因。未来还需要在不同植物中进一步功能验证以上推测。研究还发现，在水稻中过表达CNL/OSD1（途径的限速酶）可以显著提高水杨酸的基础水平，并增强对白叶枯病的抗性[6]。这预示着我们可以通过基因工程手段，精准地激活这条途径，培育出“自带免疫增强剂”的作物品种，减少化学农药的使用。这一策略对于小麦、玉米、大豆等主粮作物和经济作物具有巨大的应用潜力。总之，这一发现不仅完成了植物苯丙氨酸途径合成水杨酸的最后拼图，而且对植物免疫领域的研究具有深远的意义。
此外，这些研究还提出了许多有趣的科学问题：苯甲酸苄酯是如何从过氧化物酶体运输到内质网的？是否存在一个“代谢通道”（metabolon）让这些酶高效协作？水稻为何能耐受如此高浓度的水杨酸而不产生毒性？对这些问题的探索将进一步推动植物代谢调控和细胞生物学的基础研究。
结语：从柳树皮到分子流水线
从古人咀嚼柳树皮治病，到如今在植物生物学家的努力下，终于完整揭开了植物如何为自己制造“阿司匹林”的百年谜题。从细胞质到过氧化物酶体，到内质网后再回到细胞质，这条跨越细胞区室的“分子流水线”，彰显了植物亿万年进化中精妙而高效的代谢网络。基于这一发现的作物改良，将增强植物免疫抵御病害的第一道防线，或许未来能让我们的农田更少依赖化学农药。因此，这项研究不仅是植物科学领域的一次重大理论突破，更为培育抗病作物、保障粮食安全开辟了新的路径。
（作者张可伟系浙江师范大学教授、博士生导师；张艳军系浙江师范大学副教授、硕士生导师；潘荣辉系浙江大学研究员、博士生导师；潘荣辉系四川大学研究院、博士生导师。）
参考文献
[1] Vlot AC, Dempsey DA, Klessig DF (2009) Salicylic Acid, a multifaceted hormone to combat disease. Annual review of phytopathology 47:177-206
[2] Peng Y, Yang J, Li X, Zhang Y (2021) Salicylic Acid: Biosynthesis and Signaling. Annual review of plant biology 72:761-791. doi:10.1146/annurev-arplant-081320-092855
[3] KlÄMbt HD (1962) Conversion in Plants of Benzoic Acid to Salicylic Acid and its βd-Glucoside. Nature 196 (4853):491-491. doi:10.1038/196491a0
[4] Leon J, Shulaev V, Yalpani N, Lawton MA, Raskin I (1995) Benzoic acid 2-hydroxylase, a soluble oxygenase from tobacco, catalyzes salicylic acid biosynthesis. Proc Natl Acad Sci U S A 92 (22):10413-10417
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