综述：生长、信号与生存：陆地植物萜类代谢的进化分歧

《Natural Product Reports》：Growth, signals, and survival: the evolutionary divergence of terpenoid metabolism in terrestrial plantsOpen Access

　　

萜类化合物是一类古老且极其多样的天然产物。自二十多亿年前与早期生物膜一同出现以来，萜类代谢在结构和功能上都经历了巨大的扩展，这直接促成了陆地植物在生态上的成功。植物萜类化合物在生物合成上源自两个同分异构的五碳类异戊二烯前体，包括半萜、单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜、多萜以及杂萜，它们在链长、结构骨架和官能团修饰上表现出广泛的变异。这种巨大的化学空间是通过动态代谢网络生成的，其中功能多样的酶——最显著的是形成骨架的萜类合酶（TPS）和进行修饰的细胞色素P450单加氧酶（CYP）——被组装成组合式的途径模块，以产生复杂的具有生物活性的萜类结构。由反复的基因组和基因复制及随后的功能分化所驱动的谱系特异性基因家族扩张，促进了保守型和特化型代谢分支及其天然产物的进化。在功能上，保守的萜类化合物作为植物激素、信号分子和色素，控制着植物的生长发育；而通常具有物种特异性的特化萜类化合物则介导植物与环境的动态相互作用，包括抵御害虫和病原体、化感作用、吸引传粉者、根际微生物组交流以及非生物胁迫耐受性。基因组学、代谢组学和合成生物学方面的进展正以前所未有的速度加速着萜类结构、途径和功能的发现。阐明产生这种多样性的机制，以及萜类化合物在植物生态学和生理学中的多方面作用，不仅加深了研究人员对陆地植物进化史的理解，也为生物技术创新开辟了新的机遇，涵盖了萜类衍生的治疗药物、生物燃料、香料、聚合物、农用化学品以及许多其他生物产品。

1. 引言

萜类化合物（类异戊二烯）作为最古老、最大的一类天然有机化合物，包含数万种分布于所有生命界的代谢物。其进化成功故事始于二十多亿年前，类异戊二烯作为膜组分在古菌、细菌和早期真核生物中出现。此后，萜类代谢在陆地植物中经历了显著的分歧，涵盖了保守型的光合色素和参与植物发育及中心代谢的植物激素，以及大量令人惊叹的特化萜类化合物。这些特化化合物通常分类学分布狭窄，受动态的时空和刺激依赖性调控，并介导与环境的多种合作性和防御性的生态相互作用。鉴于其化学多样性，萜类化合物已被探索用于许多工业应用。

根据1920年代Leopold Ru?i?ka正式化的“异戊二烯规则”，萜类化合物由其共同的生物合成起源定义，即两个简单的五碳异戊二烯基结构单元，异戊烯基二磷酸（IPP）及其异构体二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP），它们通过胞质的甲羟戊酸（MVA）途径和质体的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径形成（图1）。通过异戊二烯基转移酶（PT）对这些异戊二烯基单元进行模块化组装，产生一小群不同链长和立体化学构型的无环异戊二烯基二磷酸前体。通过萜类合酶（TPS）以及一系列修饰酶，如细胞色素P450单加氧酶（CYP）、双加氧酶、转移酶、还原酶、裂解酶和异构酶，对这些前体进行环化、重排和官能团修饰，便产生了巨大的萜类化学空间。这种多样性涵盖了从半萜（C₅）、单萜（C₁₀）、倍半萜（C₁₅）、二萜（C₂₀）、二倍半萜（C₂₅）和三萜（C₃₀），到更大的类胡萝卜素（C₄₀），以及作为萜类聚合物的天然橡胶（C₅）_n（图1）。此外，植物中存在一系列非典型的萜类衍生物，包括同萜和降萜，以及代表含有萜类骨架的杂合天然产物的杂萜。

萜类代谢的进化受到反复的全基因组和基因复制事件，以及复制基因的功能分化及其在模块化途径网络中的利用的推动，这些网络将少数常见的无环前体转化为复杂的、以环状为主的生物活性结构。多组学、遗传学、生物化学和合成生物学工具的综合应用加速了新萜类途径的发现，为更深入地理解萜类化学和功能进化提供了基础。近期特别值得注意的例子包括，在紫杉树皮中首次鉴定出化疗二萜紫杉醇近60年后，其完整生物合成途径的阐明，以及完成环烯醚萜单萜和相关生物碱生物合成的不寻常的环烯醚萜环化酶的表征。本文聚焦于2011-2026年的文献，并基于近期关于萜类多样性、生物合成和调控的综述，概述了塑造研究人员对陆地植物萜类代谢进化理解的主要发现，并强调了关于基础酶和途径网络以及萜类化合物在植物发育和动态植物-环境相互作用中的多种生物活性的新见解。研究人员描述了当前对萜类代谢进化史的认识，以及主要酶家族（如TPS和CYP）的复制和功能分化如何促进植物中萜类化学空间的巨大扩展。研究人员进一步强调了植物萜类化合物从已确立的植物激素和植保素功能，到其在防御性和合作性生物间相互作用中作用的新见解的生理学意义。

2. 主要进化里程碑推动了植物萜类代谢从祖先途径的扩展

在MVA和MEP途径以及古菌和细菌中的祖先类异戊二烯出现之后，光合色素如类胡萝卜素在10亿多年前的蓝藻中出现，作为萜类家族的早期成员，它们与植物谱系中的光合作用共同进化。在此期间，无环二萜叶绿醇也进化出来，作为叶绿素的疏水膜锚和质体醌及生育酚生物合成的前体。在接下来的5亿年中，萜类植物激素出现，增强了植物协调发育和适应性过程的能力，这些过程对植物谱系的持续进化至关重要。油菜素甾醇（BR）大约在10亿年前从绿藻的甾醇前体中出现，此后扩展到整个植物界。植物对陆地环境的占领标志着萜类代谢扩展的一个主要进化转折点。例如，类胡萝卜素发生了多样化，这可能是由陆地植物对光保护和耐受其他环境胁迫日益增长的需求所驱动的。大约4-5亿年前，独脚金内酯（SL）和脱落酸（ABA）从祖先类胡萝卜素的生物合成在早期分化的陆地植物中出现。大约在同一地质时期，形成对映-贝壳杉烯酸以通向对映-贝壳杉烷二萜、并后来被招募到赤霉素（GA）生物合成中的祖先酶在早期苔藓植物中出现。随后的维管植物途径进化导致了GA植物激素作为植物发育基本调节因子的多样化。这些祖先途径将作为萜类代谢扩展的遗传资源库，使植物能够获得必要的化学库存，以协调动态的生物间相互作用和生态适应，从吸引传粉者到微生物组相互作用、化学防御和非生物胁迫耐受性。例如，二萜树脂酸在裸子植物中大约3.5-3亿年前进化出来，作为抵御害虫和相关病原体的核心结构性和化学防御。在更近的进化史中，通用萜类途径的复制和分歧支配了被子植物中特化萜类代谢的扩展，涵盖了从小分子挥发性半萜和单萜到大量展示出多种生物活性的双、三、四和大环结构，研究人员将在下文讨论这些。

3. 保守的MVA和MEP途径构成了植物萜类进化的基石，并服务于额外的生理过程

3.1 两条祖先途径提供核心的五碳前体

植物萜类代谢的分歧根植于20多亿年前MVA和MEP途径的进化。虽然MVA途径在古菌和真核生物的最后共同祖先中出现，并作为古菌、微生物真核生物和动物中唯一的萜类前体途径被保留，而MEP途径则起源于祖先细菌。随后，真核生物通过内共生获得了MEP途径，这标志着植物装备了两条独立但在生化上相连的类异戊二烯生产途径。尽管MVA和MEP途径在其底物和中间产物、以及所涉及途径基因和编码酶的区室化和调控方面有所区别，但越来越多的证据表明，它们之间的代谢相互联系比先前认识到的更为紧密。例如，Dudareva等人发现，在金鱼草花表皮细胞中，MEP来源的IPP被单向地从质体运输到胞质，以支持质体单萜和胞质倍半萜的生产。类似地，近期对月季花的研究报告称，香叶醇的形成依赖于由胞质香叶基/法尼基二磷酸合酶形成的MVA来源的GPP，而这与作为大多数已知单萜前体的质体MEP来源的GPP形成对比。此外，拟南芥中胞质MVA途径的抑制降低了甾醇水平，但增加了类胡萝卜素和叶绿素的生物合成，而质体MEP途径的抑制则产生了相反的效果。这些例子说明，MVA和MEP途径之间存在广泛的前体串扰，使植物能够补偿代谢失衡并动态调节前体供应，以制造各种生物活性萜类化合物。

虽然MVA和MEP途径的主要作用在于类异戊二烯的生产，但越来越多的知识已经证明了其额外的生理作用。一个突出的例子是MEP中间体甲基赤藓醇环二磷酸在逆行质体到细胞核信号传导中的作用，该信号激活快速应激反应元件，以调节例如昆虫和病原体攻击以及非生物胁迫下的胁迫响应基因表达。Perez-Gil及其同事的近期工作进一步表明，这种功能源于MEP途径中两个Fe-S簇酶（IspG和IspH）的氧敏感性。MEcPP是IspG的底物，该酶的氧敏感性可能有助于MEcPP在响应氧化应激时积累，从而促进其作为信号分子和可能的抗氧化剂的活性。

3.2 异戊二烯基二磷酸和单磷酸前体都供应萜类生物合成

IPP和DMAPP长期以来被认为是萜类生物合成的唯一结构单元。然而，最近的研究发现，相应的单磷酸衍生物，即异戊烯基磷酸（IP）和二甲基烯丙基磷酸（DMAP），也参与萜类代谢（图1A）。IP和DMAP是通过Nudix水解酶对IPP/DMAPP去磷酸化形成的，Nudix水解酶是一个在古菌中出现的酶家族，据目前所知，存在于动物、植物、真菌和一些细菌中。作为Nudix水解酶的代谢对应物，胞质异戊烯基磷酸激酶（IPK）在同一时期进化出来，能够将IP和DMAP磷酸化回相应的二磷酸。Nudix和IPK共同提供了一个替代的途径分支和萜类生物合成的底物库（图1A）。事实上，Henry等人证明了IPK有助于控制拟南芥和烟草中IP/DMAP与IPP/DMAPP的比例，说明了它们对调节萜类前体供应的影响。从生物工程的角度来看，在烟草中过表达IPK使甾醇和倍半萜水平提高了约3倍，因此，强调了这些酶在萜类代谢中的重要性及其在代谢工程中的应用潜力。Rao及其同事的近期工作进一步支持了这一结论，他们表明，过表达拟南芥Nudix水解酶23通过翻译后调节类胡萝卜素生物合成中的GGPP合酶和八氢番茄红素合酶（PSY）来增加类胡萝卜素丰度。此外，最近有报道称，Nudix水解酶不仅作用于IPP和DMAPP，还参与其他萜类途径，正如在常绿植物砂仁中所证明的，Nudix水解酶24在龙脑形成过程中对龙脑基二磷酸进行去磷酸化。

3.3 异戊二烯基转移酶生成常见的无环萜类前体

在IPP和DMAPP作为所有萜类核心结构单元的下游，形成一小群不同链长和立体化学构型的无环异戊二烯基二磷酸中间体，标志着萜类化学分歧的一个主要代谢枢纽。除了通过DMAPP直接去磷酸化进行异戊二烯生物合成外，正是PT家族催化C₅-C₂₀异戊二烯基单元的连续头对尾或尾对尾缩合，以产生更长的链分子，包括香叶基二磷酸（GPP, C₁₀）、法尼基二磷酸（FPP, C₁₅）、香叶基香叶基二磷酸（GGPP, C₂₀）、香叶基法尼基二磷酸（GFPP, C₂₅）、角鲨烯（C₃₀）和八氢番茄红素（C₄₀）（图1A）。近期研究表明，同型或异型GGP合酶在非维管植物进化的早期，通过祖先同型GGPP合酶家族的复制和新功能化而平行出现。虽然大多数萜类化合物是由具有反式C-C双键构型的异戊二烯基二磷酸形成的，但越来越多源自顺式异戊二烯基二磷酸的萜类化合物的例子也被描述。例如，番茄中源自香叶基香叶基二磷酸（NNPP）的二萜番茄沙坦醇的生物合成，以及源自橙花基二磷酸（NPP）的橙花醇、橙花醛和香叶醛单萜的生产。顺式-PT酶的另一个显著功能是通过异戊二烯单元的连续缩合进行天然橡胶的生物合成，已经在橡胶树、近期在生菜和蒲公英中鉴定出几种产橡胶的顺式-PT。与许多PT一样，顺式-PT由小基因家族编码，并具有独特的时空表达模式，这表明它们在橡胶生物合成内外具有特化功能。与含有对催化至关重要的特征性天冬氨酸富集基序DDxxD（该基序也保留在I类TPS酶中）的反式-PT不同，顺式-PT缺少该基序，而是具有更分散的与底物配位相关的酸性残基。因此，反式和顺式-PT家族在进化和酶学上是不同的，尽管它们的功能多样化被认为源自一个假定的共同原核祖先。

4. 核心酶家族的进化分歧扩展了萜类化学多样性

4.1 萜类合酶基因家族的扩展和功能分歧是萜类进化的主要驱动力

植物将少数无环异戊二烯基二磷酸中间体转化为数万种不同萜类骨架的能力是植物代谢真正令人惊叹的特征之一。TPS家族的功能分歧在产生萜类化学多样性方面发挥了关键作用。TPS的共同进化起源体现在它们共有的α-螺旋折叠上，具有特征性的αβγ-、αβ-或α-结构域架构和标志性的催化基序，这些基序在机制上区分了单功能II类TPS（在催化βγ-结构域中含有DxDD基序，即II类活性位点）、单功能I类TPS（在催化α-结构域中含有DDxxD和NSE/DTE金属结合基序，即I类活性位点）以及双功能II/I类TPS（包含两个活性位点）（图3A和B）。

II类二萜合酶催化GGPP的质子化引发环化，产生一系列双环二萜骨架，而不切断二磷酸酯键。最常见的是，由II类diTPS催化的环异构化反应通过去质子化终止中间体labda-13-en-8-yl⁺二磷酸碳正离子，形成柯巴基二磷酸和相关的双环半日花烷产物。然而，II类diTPS也可以通过在水参与下，在去质子化之前中和碳正离子，从而产生含氧产物。最近，Mei等人发现了一个催化上独特的II类diTPS，lleuTPS，来自Isodon leucophyllus，它含有一个不寻常的ExDD基序，并将GGPP转化为单环产物(+)-trixagyl二磷酸，从而扩展了已知的II类diTPS催化空间，并强调了活性位点酸碱基团定位在控制单环与双环产物结果中的重要性。与II类TPS相反，I类TPS通过电离其各自异戊二烯基二磷酸底物的烯丙基二磷酸部分来启动催化，并促进高度通用的碳正离子级联反应，驱动环化和重排反应，以产生大量的单萜、倍半萜和二萜骨架（图3B）。与II类diTPS类似，I类TPS可以通过去质子化终止碳正离子反应，形成大量烯烃骨架，或者通过水捕获碳正离子，产生含氧醇产物。双功能II/I类diTPS，如小立碗藓的16α-羟基-贝壳杉烷合酶、卷柏的labda-7,13edien-15-ol合酶以及几种针叶树中的13-羟基-8(14)-松脂烯合酶，代表了羟基化diTPS的祖先例子。值得注意的是，在雷公藤中，一个形成16-羟基-贝壳杉烷的I类diTPS独立进化出来。同样，双环半日花烷醇，顺式-冷杉醇的生物合成在裸子植物和被子植物中独立进化，例如在香脂冷杉中鉴定出的一个双功能II/I类diTPS，而在烟草中，一对单功能II类和I类diTPS产生顺式-冷杉醇。来自鼠尾草的香紫苏内酯合酶将8-羟基-CPP转化为香紫苏醇，是形成双环二萜醇的另一个例子。此外，在Isodon rubescens中的nezukol合酶形成一个在C-8位羟基化的独特三环异海松烷骨架，而最近发现的玉米I类diTPS，ZmTPS42/KSL1，产生羟基化的玫瑰花烷骨架5-rosanol。

基于在细菌和早期陆地植物中发现TPS相关酶，研究人员推测现代植物TPS是从两个祖先酶群进化而来的（图3A）。首先，源自原始金属蛋白的祖先α-螺旋反式PT，具有两个催化性DDxxD金属结合基序，可能是I类和II/I类TPS中发现的催化α-结构域的前体。其次，具有II类diTPS活性的标志性DxDD基序的特征性βγ-结构域，似乎更具体地从祖先的角鲨烯-何帕烯环化酶（SHC）三萜合酶进化而来，后者很可能产生了细菌II类酶，随后产生了更大的植物TPS家族。近期研究支持这样的假设，即植物通过水平基因转移从细菌获得了这些祖先TPS，并伴随着结构域融合事件，产生了原始的具有αβγ-结构域架构和功能性II类和I类活性位点的双功能II/I类diTPS。在苔藓植物如小立碗藓和Jungermannia subulata、石松门植物卷柏以及大多数裸子植物物种中存在功能独特的II/I类diTPS，突显了这些双功能diTPS向特化代谢的分歧。值得注意的是，II/I类diTPS也在真菌中发挥作用，如藤仓赤霉菌，这种病原菌因引起水稻“恶苗病”而臭名昭著。相应的F. fujikuroi CPS基因与来自Phaeosphaeria sp. L487的双功能CPS/KS相关，支持了参与GA生物合成的真菌diTPS酶的共同进化起源。虽然主流观点认为真菌和植物的II/I类diTPS是独立进化的，但近期研究证明了病原真菌对细菌TPS的获取，因此，暗示了水平基因转移在TPS进化中的重复作用。事实上，对地钱Marchantia polymorpha的基因组和GWAS研究支持，水平转移的微生物TPS样（MTPSL）基因有助于地钱中萜类的多样化和相关的病原体防御。然而，被子植物中缺少II/I类diTPS，表明它们在陆地植物进化早期就丢失了。从这些祖先TPS开始，反复的基因复制、结构域丢失、亚功能化和新功能化、特化以及假基因化事件支配了植物TPS家族的功能扩展，最初产生了单功能diTPS，属于TPS-c和TPS-e/f家族，这些家族包括保守的GA代谢型和特化型二萜合酶（图3A和B）。在大约5亿年的陆地植物进化过程中，GA代谢型和其他保守型TPS的持续复制和分歧已作为TPS基因家族扩展的资源（图3）。虽然轮藻门基因组缺乏TPS，苔藓植物含有单拷贝基因或小家族，如前述小立碗藓和J. subulata中的II/I类diTPS，而在角苔Anthoceros agrestis中鉴定出19个TPS。伴随着特化萜类代谢的分歧，TPS家族大小在裸子植物中增加，并在被子植物中迅速扩展，范围从约30个到超过100个TPS基因，例如在桉树中。这包括分别包含被子植物倍半萜和单萜代谢的I类TPS的大型TPS-a和TPS-b家族（图3B和C）。值得注意的是，TPS-a家族也包含最近发现的产生C₂₅萜类的二倍半萜合酶。二倍半萜合酶被认为是进化上较年轻的萜类合酶，据信通过功能分化从I类倍半萜合酶进化而来，以接受较大的C₂₅底物GFPP。此外，TPS-g家族的成员包括几个产生稀有非环状产物的I类TPS。在这些被子植物TPS家族的进化扩展过程中，γ-结构域的丢失，通常发生在II类活性丢失之后，是一个反复出现的事件，在TPS-d、TPS-a、TPS-b和TPS-g家族以及TPS-e/f diTPS家族中的选定例子中，αβ-结构域TPS占主导地位。

除了基因家族扩展，TPS的酶学可塑性也促进了功能分化。大量研究表明，即使是微小的活性位点修饰也能轻易改变TPS的催化特异性和产物结果。显著的例子包括小立碗藓双功能对映-贝壳杉烯合酶中的单个残基替换，将产物特异性从16-羟基-对映-贝壳杉烯转向对映-贝壳杉烯，因此，类似于GA代谢中对映-贝壳杉烯合酶进化中可能发生的事件。类似地，GA代谢对映-柯巴基二磷酸合酶中一个保守的H-N催化残基对内的替换，可以将催化特异性从形成ent-CPP转向用于特化代谢的替代产物，如重排的对映-考拉瓦烯基焦磷酸产物或8α-羟基-对映-半日花-13-烯-15-基焦磷酸。此外，白云杉和水稻中对映-贝壳杉烯合酶中的单个残基突变，将产物结果转向了作为特化二萜代谢中重要中间体的海松烷骨架。Schmidt-Dannert等人的近期工作在大冷杉abietaenol合酶中进一步证明了这一原理，其中单个残基替换导致从abieta-8(14)-en-13-ol向isopimara-7,15-diene生产的近乎完全转变。类似地，对来自Bradyrhizobium japonicum的对映-贝壳杉烯合酶进行计算设计，通过促进过早的去质子化，将催化选择性转向对映-海松-8,15-二烯。这些例子突出了催化碱基定位的改变如何改变TPS碳正离子级联反应。重要的是，TPS功能并非仅由活性位点残基控制，而共享低序列相似性但相同产物谱的TPS的独立进化在萜类进化中反复发生。在Grindelia robusta中由单功能II类diTPS以及卷柏中II/I类labda-7,13e-dien-15-ol合酶的II类催化过程中形成7,13-CPP，就是这样一个例子。最近，上位相互作用在塑造TPS催化及其对进化分歧的直接作用已得到证明。Salmon及其同事采用比较结构-功能研究，分别识别了产生线性产物和环状产物的两种TPS，以确定一个残基上位网络，该网络反映了倍半萜代谢中环化反应的进化出现。此外，O'Donnell等人最近使用祖先序列重建来说明，一系列上位变化在促进产生异海松二烯的diTPS的反复趋同进化中发挥了重要作用，异海松二烯是裸子植物DRA代谢和被子植物中各种特化二萜的核心中间体。

4.2 细胞色素P450单加氧酶进行的骨架修饰是产生多样化生物活性萜类的关键步骤

绝大多数萜类化合物含有位置和区域特异性的氧化，这使下游的官能团修饰成为可能，并直接影响生物活性。虽然如上所述，TPS酶可以形成含氧产物，但绝大多数这些氧化是由血红素依赖的CYP超家族催化的，该超家族将羟基、酮、醛、羧酸、环氧化物和内酯基团安装到不同的TPS来源萜烯骨架上。CYP也催化其他非典型的骨架重排，例如萜类生物合成中的去甲基化、去饱和或氧化性C-C键断裂。例如，在橄榄中鉴定出双功能CYP2酶，它们催化7-表-马钱子苷在通往裂环烯醚萜产物途中的不寻常氧化性C-C键断裂。在苍耳中，报道了一种CYP71DD1酶，该酶催化吉玛烷骨架的连续氧化、环化和C-C键断裂，以产生苍耳内酯倍半萜内酯。Hansen等人进一步表征了CYP71BE亚家族成员，它们促进了雷公藤中二萜三环氧化物前体松脂烷中的罕见甲基迁移。事实上，通过CYP进行骨架编辑既非罕见也非进化上近期的事件，这些CYP在祖先保守途径中的存在支持了它们的早期起源。例如，甾醇生物合成依赖于CYP51介导的去甲基化，而GA生物合成涉及CYP88依赖的环收缩。值得注意的是，类似的GA环收缩也发生在植物相关细菌和真菌中，但分别由不相关的、趋同进化的CYP114和CYP68酶催化。在植物特化代谢中，类似的转化是一种反复出现的进化策略，而非例外。

CYP广泛的功能范围植根于一个保守的催化机制，该机制在植物CYP家族扩展期间被反复多样化。保守的萜类代谢CYP家族可以追溯到绿藻门和轮藻门的绿色谱系中。这些CYP通常作为单拷贝基因保留，表明存在强烈的负选择。起源于细菌，单一家族CYP51 clan是最古老的CYP谱系之一，其同源物存在于整个生命界。在植物中，CYP51G亚家族保留了其祖先的甾醇生物合成作用，而后的复制则发生了分化，例如禾本科中的CYP51H被招募到三萜类抗菌防御中。保守的甾醇代谢还得到植物特异性CYP710家族的支持，该家族修饰Δ²²-不饱和甾醇，并多样化出与BR生物合成相关的角色。类似地，保守的CYP家族支撑着类胡萝卜素和植物激素代谢，包括CYP97类胡萝卜素羟化酶以及与激素相关的CYP707、CYP711、CYP701A和CYP88家族。它们在苔藓植物中存在，其中CYP711产生与丛枝菌根真菌（AMF）共生相关的祖先SL样化合物，而CYP701A催化GA代谢中对映-贝壳杉烯氧化，表明氧化控制萜类信号在陆地植物进化早期就已建立。

较年轻的CYP clans在陆地植物进化过程中经历了实质性的扩展，导致了萜类代谢的创新。CYP现在约占植物基因组中蛋白质编码基因的1%，11个植物CYP clans中有8个含有与萜类代谢相关的家族（图4）。虽然通用代谢的CYP在很大程度上保持严格的催化特异性，但特化的CYP通常表现出催化混杂性，创造了促进快速萜类多样化的进化“分支点”。大型CYP71 clan提供了一个突出的例子，包含24个家族，其中许多在特化萜类代谢中发挥作用。尽管只包含一个初级代谢谱系，即GA对映-贝壳杉烯氧化酶（CYP701A），但CYP71亚家族多样化，以催化单萜、倍半萜、二萜和三萜代谢中的反应。值得注意的是，即使是保守的CYP701A谱系，在水稻和玉米中也经历了复制和新功能化，朝向特化代谢，这突显了CYP71 clan的进化可塑性。在基因组资源日益丰富的推动下，过去几年的研究揭示了CYP71 clan在整个植物谱系中的广泛扩展。例如，在鼠尾草属物种中，报道了与二萜代谢相关的CYP71和CYP76家族的显著扩展。Ma等人在丹参中鉴定出30个CYP71D基因。其中一些家族相对古老，如CYP76BK家族的比较分析将其起源置于唇形科物种形成之前。丹参和墨西哥鼠尾草的新基因组揭示了可预测地促进CYP71/76扩展的二萜代谢基因簇。CYP76家族的扩展在单子叶植物中也显而易见，例如单子叶植物特异性CYP76M亚家族参与水稻中产生化感性和抗菌性的稻壳酮和相关二萜植保素。更近期的研究表明，CYP71 clan内的多样化不仅限于谱系特异性扩展，还包括实质性的功能可塑性，如单子叶植物特异性CYP71Z亚家族所示。在玉米中，CYP71Z酶具有广泛的催化混杂性，通过不同的官能团修饰同时修饰倍半萜和二萜骨架，以产生不同的植保素。在柳枝稷中，CYP71Z酶通过氧化去磷酸化的II类diTPS产物，有效地绕过了二萜生物合成中典型的I类diTPS活性，从而促进了名为panicoloids的呋喃二萜化合物的生物合成。在水稻中，CYP71Z酶则作用于大环二萜骨架，说明了该亚家族如何多样化以容纳多种底物、途径架构和产物结果。类似地，对参与紫杉醇生物合成的CYP725家族成员的近期机制研究，扩展了研究人员对该CYP家族产物范围和催化特异性的认识，并阐明了紫杉醇生物合成中核心氧杂环丁烷环形成的精确催化反应。

除了CYP71 clan，几个CYP谱系在植物萜类代谢中经历了更广泛的分歧，包括大型的CYP72、CYP86和CYP85 clans，它们跨越了通用代谢和特异性代谢。例如，CYP72家族在GA代谢和BR失活中发挥作用，同时也参与特化三萜和单萜吲哚生物碱的生物合成。CYP86酶参与BR和抗菌三萜的生物合成。在CYP85 clan内部，裸子植物特异性CYP720B酶进一步说明了谱系特异性CYP进化，它们参与DRA生物合成，并显示出与GA相关的CYP701A家族趋同进化的证据。近期研究进一步支持了保守于通用代谢中的CYP被反复招募。例如，通常与BR代谢相关的CYP716家族，在鼠尾草属和乌头属物种中已独立地多样化进入二萜代谢。与TPS进化平行，这些独立的CYP家族辐射说明了一个反复出现的进化原理：保守的CYP家族维持着基本的生理功能，并作为创新的模板，而扩展的谱系则产生了谱系特异性萜类代谢所依赖的酶多样性。通过这种方式，古老的催化框架得以保留，而功能特异性则扩展到整个植物谱系。

4.3 超越新酶功能的进化，模块化途径网络的出现增加了萜类化学空间

上述TPS和CYP扩展的例子突出了基因复制和分歧如何驱动化学多样性。除了基因家族扩展，将功能不同的酶作为模块化代谢途径网络的一部分进行部署，也促进了萜类化学多样性。这种模块化逻辑在被子植物二萜代谢中尤为明显，其中单功能II类和I类diTPS可以以不同的配对组合方式作用，以产生一系列骨架，随后由混杂的CYP进行进一步修饰，从而促进快速产生不同的生物活性二萜。这些酶的多功能性放大了这些模块化途径网络，允许相对较少的酶产生广泛的产品范围。例如，近期对乌头中TPS和CYP酶的功能表征说明了这种代谢策略，其中多功能CYP氧化跨越共享的对映-贝壳杉烯和对映-阿替西林骨架，产生了一个复杂的二萜网络。类似地，在玉米和水稻中，从GA代谢中招募而来的特化diTPS和CYP，将一种与GA生物合成共享的对映-柯巴基二磷酸中间体，转化为对病原体抗性至关重要的抗生素二萜。大量证据表明，复制基因的功能分化和这些特化途径分支差异基因表达模式的进化，使得同时发生的植物激素和化学防御过程得以分区。然而，关于底物可用性、动态蛋白质-蛋白质相互作用和其他调控机制如何促进单个途径分支的分区，仍有大量未知之处。

4.4 萜类化学多样性超越了典型的骨架和途径反应

尽管萜类化合物具有巨大的结构多样性，但大多数是根据异戊二烯规则组装的，并由典型的萜类合酶环化。然而，存在显著的例外。在结构上，同萜和降萜分别通过碳的增加/损失而偏离了典型的基于C₅的萜类类别。除了上述CYP催化的GA生物合成中的烃环收缩，植物中突出的同萜和降萜例子包括DMNT和4,8,12-三甲基十三碳-1,3,7,11-四烯（TMTT），它们分别通过CYP催化的橙花叔醇和香叶基芳樟醇萜烯醇的氧化裂解形成。类似地，前述的ABA和SL植物激素代表了源自C₄₀类胡萝卜素不同C-C裂解反应的类胡萝卜素裂解产物。杂萜通过在一个分子内结合萜类和非萜类结构单元，进一步扩展了萜类化学多样性。由萜类和多酮组分组成的大麻素，以及由环烯醚萜核心与色胺缀合而成的MIA，是最引人注目的例子，后者包括来自长春花的重要化疗药物长春碱和长春新碱，并在植物防御中具有重要功能。

虽然绝大多数萜类化合物是通过上述典型TPS促进的复杂碳正离子级联反应形成的，但非典型的TPS样活性已在几个不相关的酶家族中独立进化，包括PT、甲基转移酶、CYP以及黄素和NAD⁺依赖性环化酶。非典型萜类环化酶（ncTPS）在真菌和细菌的特化代谢中特别常见，但也在植物中越来越多地被发现。虽然ncTPS可能采用碳正离子基反应，但许多催化非典型的TPS样环化和其他反应。例如，Δ⁹-THCA合酶