交错学科开发植物次生代谢物研究新天地

 
 
交叉学科开辟植物次生代谢物研究新天地  
 

5月21日，一篇名为《系统发育模式表明，种子植物“生命之树”中次生代谢产物的频繁起源》Phylogenetic patterns suggest frequent multiple origins of secondary metabolites across the seed plant “tree of life”的文章发表在National Science Review杂志上。

该项研究利用交叉学科的优势研究了生物碱类、黄酮类、萜类、单宁类、酚酸类、醌类、甾体类、苯丙素类等八大次生代谢产物在种子植物生命之树（Tree of Life）中的分布特征及演化规律。

植物次生代谢产物是指植物体内普遍存在的生物代谢非必需的小分子化合物，具有重要的经济和药用价值。

“一直以来次生代谢产物均属于植物化学研究的主要范畴，两百多年前吗啡的发现使人们开始关注这些次生代谢产物的药用价值，其对人类研究新药的贡献已广为科学家们所认可；而近半个世纪以来，人们开始关注植物次生代谢产物内在的生理功能，比如对植物生长发育相关的信号通路的调控、对植物病虫害防御的调控等，以及对植物适应环境的影响等，已经超越了原有的‘次生代谢产物’的概念。”中国科学院院士、中国科学院昆明植物研究所（以下简称中科院昆明植物所）研究员郝小江告诉《中国科学报》，“而随着大量植物次生代谢产物生物功能、经济价值的发掘，次生代谢产物的研究变得越来越深入和广泛，以其作为纽带，曾经兴起的植物化学分类学和药用植物亲缘学等学科，便是利用植物次生代谢产物作为性状探究植物系统关系的早期的交叉学科。”

“我们的研究是利用从植物系统发育来探讨次生代谢产物在植物多样性进化历程中形成和分布规律，是目前较为前沿的进化生物学研究。”中科院昆明植物所研究员普诺·白玛丹增如是说。

中科院昆明植物所副研究员邓涛和博士后张永增介绍说，这次研究是以植物“生命之树”为主干，以时间线为轴，从植物系统进化的大格局上探讨了次生代谢产物的分布以及与其他生物之间的协同进化。解决了此前对次生代谢产物认知的盲区，如其什么时候出现；现今生命之树的大格局上如何分布，有何规律；是否如以往认知的其分布具有随机性而无法预测；其进化与动物、昆虫、鸟类是否有关系等问题。

一直以来，植物化学和植物系统学之间的交叉研究较少，主要原因有三：一是缺乏一个稳定可靠的系统树和相对应的植物化学成分数据；二是缺乏一个可以联系植物学、化学和分子系统学的纽带；三则是缺乏一个合适的分析方法和工具。“近十年来，随着分子技术方法的发展，较完善的植物系统树如The tree of life、APG IV已经被大多数植物学家所接受。而方法方面，许多研究证实系统发育信号可用于描述相似类群间性状或特征的相似性。同时大量的次生代谢产物的分离、鉴定为我们的研究提供了一定量的化学数据。”中科院昆明植物所研究员孙航表示，正是结合了以上几点，研究才能够得以顺利进行。

该项研究由中科院昆明植物所青藏高原－喜马拉雅植物多样性形成与演变团队联合植物化学生物学团队、重要类群植物化学及功能研究团队、天然药物新药研发团队、活性天然产物发现与生物合成团队，以及中科院武汉植物园、美国密苏里植物园、康奈尔大学、欧柏林大学等共同完成。

他们解决了次生代谢产物的认知盲区，如次生代谢产物可能什么时候出现，其进化及多样化过程是怎么样的，现今分布有何规律等；其次，确认了次生代谢产物整体来看是趋于随机分布的，但许多次生代谢产物在一些大的支系中亦呈聚集性分布的规律，同时认为具有系统发育信号的支系，可用于相似次生代谢产物的寻找；最后，该研究对次生代谢产物与动植物之间的协同进化，以及产生现今次生代谢产物分布、进化规律的原因进行了推测，为进一步了解次生代谢产物提供了理论依据。