核心真双子叶植物中假酶TSB-like通过变构激活TSA实现吲哚生物合成的分子机制

本研究揭示了核心真双子叶植物中假酶TSB-like通过变构激活色氨酸合成酶α亚基(TSA)驱动游离吲哚生成的新机制。研究人员发现TSB-like由TSB基因复制进化而来，通过关键位点突变(A190/E386)丧失色氨酸合成能力但保留变构激活功能，从而将TSA从色氨酸合成途径"劫持"至防御代谢途径。该发现解决了核心真双子叶植物缺乏独立IGP裂解酶(IGL/BX1)却仍能合成防御性吲哚的科学难题，为植物抗虫育种提供了新靶点，发表于《Nature Chemical Biology》。

　　

在植物与环境的漫长博弈中，吲哚(indole)扮演着双重角色：既是必需氨基酸色氨酸(tryptophan)的前体，又是防御代谢的核心分子。这种含氮芳香化合物不仅参与合成苯并恶唑嗪类(benzoxazinoids, BXDs)等抗虫毒素，还能作为挥发性信号警告邻近植株或吸引传粉者。然而科学界长期存在一个谜团：在核心真双子叶植物(core eudicots)中，既未发现单子叶植物特有的独立吲哚-3-甘油磷酸裂解酶(IGL/BX1)，其TSA又因与TSB形成紧密复合物而难以释放游离吲哚，它们如何获得防御所需的吲哚？

德国马克普朗克化学生态研究所的Matilde Florean团队在《Nature Chemical Biology》发表的研究解开了这个谜题。研究人员通过比较转录组分析，在产生BXDs的爵床科植物Aphelandra squarrosa和唇形科植物Lamium galeobdolon中发现了一类新型假酶(pseudoenzyme)——TSB-like。这种蛋白由色氨酸合成酶β亚基(TSB)进化而来，通过两个关键位点突变(A190/E386)丧失了色氨酸合成活性，却意外保留了变构激活TSA的能力。

研究采用多学科技术手段：通过瞬时表达系统在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中重构BXDs合成通路；利用LC-MS/MS监测吲哚和色氨酸的动态变化；采用共聚焦显微镜验证TSA-TSB-like复合物的亚细胞定位；结合蛋白质共纯化和体外酶活实验阐明变构调节机制；通过系统发育分析追溯TSB-like的进化起源。

TSB-like实现吲哚生物合成的核心机制
研究发现TSB-like能与TSA形成稳定复合物，其结合界面69%残基与TSB保守。不同于经典TSB-αββα四聚体将吲哚严格"囚禁"在分子隧道内，TSB-like通过变构激活促使TSA释放游离吲哚。体外实验显示，AsTSA-AsTSB-like复合物每小时产生(12.3±0.8) nmol吲哚，但几乎不合成色氨酸(0.15±0.02 nmol)，这与TSA-TSB复合物的功能形成鲜明对比。

分子开关的进化密码
通过比较128种核心真双子叶植物的TSB-like序列，发现两个决定性突变：1）活性中心的E190A突变，使酶丧失质子转移能力；2）变构调节区的D386E突变，导致盐桥相互作用增强。实验证实，双突变体AsTSB-like-A190E;E386D恢复部分色氨酸合成能力(1.8±0.3 nmol/h)，同时吲哚产量下降60%。这种"分子开关"设计使植物能灵活调配代谢流向。

生态防御的普遍策略
当本氏烟草遭受斜纹夜蛾(Spodoptera littoralis)取食时，TSB-like表达量激增69.8倍，而TSA表达无显著变化。Meta分析显示，在茄科、杨柳科等18个科中，虫害诱导的吲哚释放均伴随TSB-like上调。这种机制可能比单子叶植物的IGL/BX1系统更具进化优势——既避免了维持独立吲哚合成途径的能量消耗，又通过竞争性结合TSA实现代谢通路的精确调控。

这项研究改写了人们对植物防御代谢的认知：1）首次阐明核心真双子叶植物合成防御性吲哚的分子基础；2）发现假酶通过"功能特化"实现代谢通路重编程的新范式；3）为作物抗虫性状的精准设计提供新靶点。正如审稿人所言，该工作"完美诠释了进化如何利用已有元件构建新功能"。未来研究可探索TSB-like在不同细胞类型的时空表达模式，以及其在植物-昆虫-微生物三重互作中的调控网络。