許多植物特有的代謝產物在草食動物防禦中起作用，而突變其生物合成途徑中的特定步驟通常會導致植物自身毒性。然而，其防禦和自身毒性的分子機制仍不清楚。2021年1月15日，Science雜誌在線發表了來自德國馬普研究所Ian T. Baldwin課題組等題為「Controlled hydroxylations of diterpenoids allow for plant chemical defense without autotoxicity」的研究論文。該研究表明植物通過調節新陳代謝，避免了代謝分子的自身毒性，同時又獲得了草食動物防禦能力。並首次揭示了植物的代謝分子被其食草動物消化後會產生對食草動物有毒的產物，這反映出植物對使用有效化學防禦的「有毒廢物傾倒」問題的解決方案。
植物會產生各種代謝小分子以幫助它們對抗外界的影響，如食草動物和病原體的攻擊。通常這些代謝小分子是靶向食草動物的特有的組織，以避免了自身毒性問題。如尼古丁是一種針對菸鹼乙醯膽鹼受體的的神經毒素。然而，還有一些小分子防禦的目標是包括植物在內的所有生物共有的基本細胞過程。為了避免自身毒性，許多植物防禦化合物被存儲在非活性糖基化形式，在攻擊後其釋放出有毒的糖苷。此外，如果突變糖基化步驟的酶後，通常會導致植物自身毒性，但是防禦功能和自毒共享相同的機制基本上是未知的。
該研究利用一種菸草Nicotiana activatea中的17-HGL-DTGs代謝物來研究自身毒性與防禦之間的關係。之前已經有研究證實17-HGL-DTG對食草動物菸草天蛾幼蟲有防禦功能。但是負責代謝物防禦功能的機制尚不清楚。17-HGL-DTG的生物合成途徑是萜類化合物的典型途徑，如下圖所示。已知所有的二萜糖苷都具有相同的糖苷配基17-HGL，這表明在香葉基芳樟醇 C-17位置進行精確羥基化非常重要，然而介導該過程的CYP酶仍然未能得到鑑定。
該研究首先試圖鑑定參與17-HGL生物合成的CYP，研究結果鑑定到NaCYP736A304和NaCYP736A305介導了香葉基芳樟醇在17-HGL-DTGs生物合成中的17-羥基化作用。進一步將CYP736A沉默後，VIGS- CYP736A植物也表現出強烈植物自身毒性，表現植物不育。而將NaCYP736A基因與更上遊的NaGLS酶共同沉默可以消除植物毒性和不育表型，但是單獨沉默NaGLS不會明顯影響植物的生長和形態，說明了香葉基芳樟醇的積累是植物自身毒性的原因。
下一步，就是研究香葉基芳樟醇是如何讓植物自身毒性，即作用的靶點在哪裡？該研究通過在茉莉酸處理後對來自VIGS-GLS，VIGS-CYP736A和VIGS-GLS/CYP736A植物與VIGS-EV植物的葉子進行了全基因組晶片分析，研究結果顯示沉默NaCYP736A引起的自毒性是由於抑制神經醯胺合酶NaCerS活性導致Long-chain bases(LCB)的過度積累。
上面已經回答了植物如何避免自身毒性的問題，那麼下一步該研究就是回答植物如何利用17-HGL-DTG化合物及衍生物進行防禦食草動物。研究顯示，糖基化的17-HGL-DTG沒有活性，僅在被草食動物攝入後可激活17-HGL-DTG對其CerS的抑制作用。進一步通過對菸草天蛾蟲糞的代謝分析，表明17-HGL-DTG的被羥基化（OH-Lyc4s），並與攝入的植物材料中一些未知的氧化性化合物或酶有關。同時通過核磁共振分析闡明了這些化合物的結構，並表明OH-LYC4的所有三種異構體都能抑制菸草天蛾蟲CERS活性，說明了羥基化17-HGL-DTGs直接抑制CerS活性並提供對草食動物防禦。
綜上所示，該研究表明香葉基芳樟醇被CYP736A在C-17處氧化，再被UGT74P糖基化，並進一步修飾產生17-HGL-DTG，其中可防止了糖苷配基的進一步修飾。而當被草食動物攝入時，這些17-HGL-DTG會轉化為一類有毒化合物，羥基化的17-HGL-DTG，會抑制草食動物細胞膜（鞘脂）的必要結構成分的生物合成，從而實現其防禦功能。
另一方面，如果部分生物合成途徑被突變，例如NaCYP736A或NaUGT74P被沉默，則積累的香葉基芳樟醇或17-HGL將流入非特異性羥基化衍生物，進而抑制植物自身的鞘脂生物合成，並導致自身毒性。
iPlants評論：
該研究完成了17-HGL-DTGs的生物合成途徑，並表明天然菸草植物保留了17-HGL-DTG的防禦功能，同時又通過精確調控類萜糖苷配基修飾而又避免了自身毒性。其中被食草動物食用消化後才能發揮防禦作用，是文章的亮點。同時，該文首次運用了「排洩物代謝組學」研究植物及其食草動物之間關係，為今後發現植物防禦分子和天然產物提供了有利的工具。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/371/6526/255
來源：iPlants