植物，是自然界中的天然化学工厂，能够制造出数千万种小分子化合物，每种都具备独特的生物功能和活性。揭示植物如何巧妙地安排这些化合物的生产，就像是解开自然界中最复杂的密码。成功破解这一密码，便能为提升植物和人类健康开辟一条新路径。一种植物能合成超过5000种植物次生代谢产物（PSMs），这些PSMs在不同种群、组织、细胞及生态环境中表现出极大的分布差异。那么，植物为何同时产生如此多样化的次生代谢产物呢？
近日，复旦大学生命科学学院白悦辰团队受邀在 Annual Review of Plant Biology杂志发表了题为Using synthetic biology to understand the function of plant specialized metabolites的长文综述，对近六十年来的植物防御机制理论进行了全面的回顾，并详细梳理了利用合成生物学技术合成植物次生代谢产物的最新研究进展。此外，文章整合了植物生物学（尤其是达尔文进化论）、化学生态学及合成生物学的相关理论，从学科交叉视角提出合成生物学在植物功能代谢领域研究的新范式。
代谢组学和分子生物学的发展为深入理解植物次生代谢物（PSMs）的功能奠定了坚实的基础。合成生物学技术的应用，能够提供高纯度、大量、立体特异性以及结构复杂的化合物，极大推动了PSMs功能研究和医学领域的应用。通过合成生物学，我们得以重新设计PSMs的转运、结构多样性、共进化及异源表达等特性，为阐释植物在特定组织细胞和生态环境中产生多样化PSMs的原因提供了新的视角。植物通过其PSMs来应对生态挑战，合成生物学则加速了我们对这些PSMs进化功能的理解。
植物次生代谢物功能的最初研究源于有机化学家和研究昆虫的生物学家之间的合作，这些昆虫的防御和信息素化学特性相对简单，通常是在特定器官以高浓度产生的简单化学结构。随着研究领域扩展至植物更具挑战性的化学物质，分析化学家和分子生物学家加入了这一合作。尽管有机化学家贡献了合成的PSMs，但这些PSMs通常过于微量或不稳定，无法从植物中直接提纯，并面临实现PSMs多个手性中心的准确性挑战。分子生物学家提供创造无PSMs植物的手段，而生物学家利用这些工具进行功能测试，通常通过实验室生物测定，并通过自然历史观察进一步验证功能假设。这种方法为次生代谢物功能提供了客观的分析视角，通过观察植物与天敌、病原体、益生微生物、传粉者、天敌及竞争者等自然群落的相互作用，提出并验证功能假设（见图1）。
图1 展示了对PSM缺失或沉默植物的生态挑战，以研究PSMs的生物学功能。
本文回顾了植物次生代谢物（PSMs）功能研究领域的发展历程，提出了一个包含自然选择、重构、测试和学习四个阶段的迭代循环流程，用于深入探索PSMs的功能（见图2）。在这个循环中，自然选择充当了设计师的角色，指引我们识别出那些与特定生态环境中的生存能力相关的PSMs及其遗传变异。接下来，通过整合生物信息学、代谢组学、蛋白质工程和合成生物学等跨学科的先进技术和方法，我们能够执行PSMs的合成、定量分析、遗传改造以及PSMs途径的异源表达等关键步骤。通过将这些改造植物重新引入自然环境并进行详细的自然历史观察，我们能够测试与它们功能相关的众多假说，从而进一步深入理解PSMs的作用机制。
图2 修改合成生物学的迭代循环以理解自然选择
文章同时全面回顾了过去六十年提出的多个关于植物防御机制的理论。这些理论长期以来难以得到验证，主要原因在于缺少充足的数据支撑。然而，随着非靶向代谢组学技术的快速发展，如今我们能够在不同层次（物种、种群和个体）上收集到丰富的植物次生代谢产物多样性的信息，这为验证这些长期存在的理论提供了新的可能。特别是，合成生物学工具的出现，使得高效异源表达PSMs生物合成途径成为可能，为这些理论预测的验证开辟了新途径（见图3）。
图3工程操作验证PSMs的功能假说
复旦大学作为第一署名单位，生命科学学院的白悦辰作为第一作者，刘新宇博士参与了文章的撰写。白悦辰青年研究员与德国马克思普朗克化学生态研究所的Ian Baldwin院士共同担任该论文的通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-060223-013842