综述：从防御化学到农业生态解决方案——苯并恶嗪类化合物在植物中的演化作用

这篇综述系统阐述了苯并恶嗪类化合物（BXDs）作为植物次生代谢产物的多维度功能，涵盖其结构多样性、生物合成通路的趋同进化（CYP71C/FMO/UGT等关键酶）、防御病原体/害虫的双重机制（直接毒性与信号分子作用），以及通过根系分泌调控土壤微生物组（如Pseudomonas putida）的生态策略。文章特别强调合成生物学（AI驱动酶优化、异源途径重构）在开发天然农药和抗逆作物中的潜力，为减少合成农用化学品依赖提供了创新思路。

　　

引言

植物次生代谢产物苯并恶嗪类化合物（BXDs）自20世纪50年代在黑麦（Secale cereale）中被发现以来，已成为研究植物与环境互作的关键模型。这类含有1,4-苯并恶嗪-3-酮骨架的化合物，通过R1-R5位点取代基的修饰形成结构多样性，包括N-H内酰胺、N-OH羟肟酸和N-OCH₃甲氧基衍生物三大亚类。其独特的化学性质（如开环亲电性、氮鎓离子活性和金属螯合能力）赋予其多重生物学功能。

结构与分布特征

BXDs在单子叶植物（如玉米、小麦）和部分双子叶植物（如爵床科、毛茛科）中呈现趋同进化。单子叶植物依赖CYP71C亚家族P450酶催化吲哚氧化，而双子叶植物则利用黄素单加氧酶（FMO）实现相同转化。组织特异性分析显示，玉米幼叶中DIMBOA-Glc含量可达鲜重的0.3%，而成熟种子中几乎检测不到，这种动态积累模式与发育阶段和胁迫响应密切相关。

生物合成与进化机制

玉米中BXDs合成始于色氨酸途径分支，由质体定位的BX1/IGL1释放吲哚，经内质网相关P450酶（BX2-BX5）逐步氧化为DIBOA，再通过UGT（BX8/9）糖基化储存于液泡。值得注意的是，禾本科植物的BX基因簇（BGC）可能通过水平转移（HT）从黍亚科传播至小麦族，而双子叶植物则独立招募了CYP92/CYP82等非保守P450家族，体现了"拼图假说"的进化模式。

防御功能的多重维度

1. 抗病原体：DIMBOA通过抑制镰刀菌（Fusarium）细胞壁合成基因CHS和毒素合成基因Tri5，降低小麦赤霉病危害，其半抑制浓度（IC₅₀）显著低于合成杀菌剂。
2. 抗虫性：欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）幼虫摄食含3 mmol/L DIMBOA的饲料后，中肠胰蛋白酶活性下降70%，而抗性害虫如草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）则通过UGT介导的(2S)-DIMBOA-Glc合成实现解毒。
3. 免疫信号：BX缺陷突变体bx1的胼胝质沉积减少50%，且茉莉酸（JA）信号通路标记基因表达下调，证实BXDs是系统性免疫的启动子。

农业生态应用潜力

根系分泌的BXDs通过三重机制塑造根际微生态：

1. 直接抑制土传病原体（如Rhizoctonia solani）；
2. 促进有益菌Pseudomonas putida定殖（定殖效率提升3倍）；
3. 经微生物转化产生的氨基吩恶嗪酮（APO）可抑制杂草种子萌发（抑制率>80%）。合成生物学策略已成功在烟草中重构BXDs通路，产量达1.2 mg/g干重，为开发生物农药提供了新思路。

未来挑战与方向

需平衡代谢工程带来的生长-防御权衡，例如BX3酶同时调控硼稳态和I2O合成。多组学整合、进化基因组学和微生物组研究将揭示BXDs与初级代谢的互作网络，为设计"智能作物"提供理论支撑。