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本文聚焦于十字花目植物硫代葡萄糖苷（glucosinolate）。通过对其基因复制、基因丢失、代谢分解等方面研究，揭示了化学多样性形成机制。发现串联和远端复制比全基因组复制（WGD）更重要，基因丢失也影响代谢多样性，为理解植物代谢物进化提供了新视角。
引言
植物能产生多样的特殊代谢物，这些代谢物在植物与生物环境的相互作用中发挥着关键作用，比如抵御生物侵害、促进共生等。一般认为，基因复制和新功能化是化学多样性产生的遗传基础，但目前由于对属内物种采样不足，难以解答一些关键进化问题，如化学多样性的产生模式、基因复制类型的影响、基因丢失的作用等。
硫代葡萄糖苷途径在十字花目植物分化前就已演化形成，该途径能产生含硫特殊代谢物，其核心由 CYP79 决定用于形成硫代葡萄糖苷的氨基酸，还有一系列修饰酶对产物进行修饰。随着高质量十字花目植物基因组序列的快速发布，为研究硫代葡萄糖苷途径的演化提供了条件。本文将以十字花目植物硫代葡萄糖苷的演化研究为例，探讨植物化学多样性中新颖性的起源。
哪种基因复制类型塑造新的多样性
植物特殊代谢的新颖性与基因复制及新功能化、亚功能化密切相关，但全基因组复制、串联复制和远端复制的相对贡献尚不明确。以往研究认为，全基因组复制（WGD）与硫代葡萄糖苷核心结构的进化创新有关，比如 At-β WGD 事件后新功能化促进了吲哚硫代葡萄糖苷的起源，At-α WGD 事件后产生了甲硫氨酸衍生的硫代葡萄糖苷。而串联复制和其他小规模复制（SSDs）则与较年轻进化时期的侧链修饰多样化相关。
然而，新的研究对此提出了挑战。十字花目植物测序工作的扩展显示，深入的系统发育调查对于确定新颖性产生的位置至关重要。新的系统发育转录组分析发现了更多古老的家族特异性 WGD 事件，将这些新的系统发育信息与硫代葡萄糖苷多样性调查相结合后发现，WGD 事件与硫代葡萄糖苷结构创新的扩展并无显著关联。例如，未经历古老 WGD 事件的 Camelinodae 超族比多数分类群经历了古老全基因组三倍化的 Brassicodae 超族具有更多化学多样性。
新的基因组数据也让人们重新审视 CYP79 基因与 WGD 事件的关系。之前基于少数基因组和转录组提出的假设，在纳入更多高质量基因组后发生了改变。如 CYP79C1 和 C2 并非在十字花科特有的 At-α WGD 事件后形成，而是至少在十字花科和 Cleomaceae 分化之前就已出现；CYP79F 的形成也早于 At-α WGD 事件。
同时，新基因组为研究小规模基因复制事件的作用提供了新视角。远端基因复制在创造新化学多样性方面的重要性日益凸显，例如 MAM 基因在 At-β WGD 事件后发生复制，之后通过新功能化以及局部串联和远端复制，促进了硫代葡萄糖苷多样性的扩展。在 Camelina、Neslia 和 Capsella 属中，超长链硫代葡萄糖苷的产生与 MAM 基因的转座复制有关。此外，远端复制在植物其他性状多样化中也发挥着作用，如影响十字花科植物温度依赖的开花调控、Cleomaceae 植物向 C4 光合作用的转变以及洋葱中烯基半胱氨酸亚砜的生物合成等。
新基因组还有助于更好地理解串联基因家族扩张和 WGD 事件对化学多样性的共同影响。在十字花科中，MAM 基因座的串联和远端复制以及新功能化产生了相关的化学多样性，在十字花科三倍化后，三个衍生基因座发生了差异分馏，每个基因座主要保留了一种功能性 MAM 类型。在其他情况下，如在异源四倍体辣根中，WGD 衍生的基因座可能同时经历差异丢失和串联复制。对盐生十字花科植物 Cakile maritima 的基因组分析发现，超过 1000 个直系同源群受古老全基因组三倍化和随后的谱系特异性小规模复制的影响，这些基因群涉及潜在的适应性基因座，如 CYP450s 和与重金属耐受性相关的转运蛋白。这表明 WGD 可能通过使复制的基因家族基因座独立扩张和收缩，创造出新的基因座，影响代谢多样性。
基因丢失在化学多样性中的作用
化学多样性的演化通常关注新基因的产生，但新基因组研究表明，基因丢失也能塑造物种内和物种间的化学多样性。在拟南芥（Arabidopsis）和芸薹属（Brassica）植物中，基因丢失和存在 / 缺失变异的形成对硫代葡萄糖苷变异有重要影响。
将硫代葡萄糖苷多样性映射到精确的十字花科系统发育树上发现，基因丢失可能是物种间多样性的主要组成部分。十字花科超族中发现的所有代谢物似乎在家族早期就已产生，但其积累情况在不同物种间差异很大。基因研究也证实，基因丢失会影响物种间的化学多样性。例如，在 Camelineae 族中，吲哚硫代葡萄糖苷的缺失是由于 MYB34 同源基因的丢失，该基因在其他十字花科植物中对吲哚硫代葡萄糖苷基因的表达至关重要。随着这种转录因子的丢失，Camelina sativa 中负责合成吲哚硫代葡萄糖苷的 CYP83B1 基因以及负责羟基化吲哚硫代葡萄糖苷的 CYP81Fs 基因也相继丢失。此外，Camelineae 族还失去了积累高水平短链甲硫氨酸衍生硫代葡萄糖苷的能力，同时相关的修饰酶也全部丢失。在 Barbarea vulgaris 中，侧链修饰基因也发生了丢失。基因丢失对新途径的优化作用，究竟是功能缺失的结果，还是二者兼具，仍有待进一步探索，但无论如何，这些基因的丢失限制了 Camelineae 族恢复原有化学多样性的能力，同时也塑造了可用于创造新化学多样性的途径。
分解代谢在结构创新中的作用
硫代葡萄糖苷是一种双组分系统，完整的硫代葡萄糖苷可被黑芥子酶（myrosinase）去糖基化，生成具有反应性的糖苷配基，糖苷配基可重排形成多种生物活性终产物，重排过程可以是自发的，也可由一些蛋白质辅助完成。然而，这些终产物还会发生进一步变化，例如 4 - 羟基丁基异硫氰酸酯可环化形成一种不寻常的 1,3 - 恶氮杂环庚烷 - 2 - 硫酮，这种化合物能够绕过 Pseudomonas simiae 的 saxF/ef90 外排系统，杀死原本具有抗性的细菌。异硫氰酸酯还可被植物和适应的微生物直接分解代谢，为其提供能量和资源，进而影响微生物群落。
这表明硫代葡萄糖苷的分解代谢产物可能成为其他生物合成途径的起始点。在 Brassica rapa 中，主要的植物抗毒素 brassinin 可直接由吲哚硫代葡萄糖苷通过非经典黑芥子酶合成，这些黑芥子酶产生的异硫氰酸酯进一步转化形成 brassinin，它又是其他植物抗毒素的起始点。有趣的是，不产生 brassinin 或相关化合物的物种缺少这些黑芥子酶。在 Allaria petiolata 中，脂肪族烯丙基硫代葡萄糖苷可通过黑芥子酶衍生的腈而非异硫氰酸酯中间体转化为一种新的化合物 petiolatamide，Allaria petiolata 还可能通过一种表硫腈结构合成 alliarinoside 。虽然 Allaria petiolata 中相关基因尚未确定，但这表明多样的硫代葡萄糖苷分解代谢产物可能为其他特殊代谢物途径提供前体。不过，特殊代谢物成为新生物化学途径前体的频率还需要进一步研究。
结论
对十字花目植物硫代葡萄糖苷多样性的新基因组研究和机制评估，正在改变人们对化学新颖性产生方式的理解。研究表明，串联复制和远端复制可能比 WGD 事件在塑造化学多样性方面更为重要，基因丢失也对这种进化过程起到了塑造和限制作用，而且其他特殊代谢物途径似乎正逐渐利用硫代葡萄糖苷作为中间体。这些研究成果得益于综合运用广泛的系统发育分析、分布在系统发育树上的高质量参考基因组、化学多样性的广泛调查以及丰富的分子知识。这也表明，为了更好地构建特殊代谢物基因进化模型，需要更多高质量基因组，并且在系统发育采样上要更深入、更均衡。
