两个相似基因的不同功能揭示了菊苣酸生成的进化奥秘

菊苣酸是一种具有抗氧化、抗炎、抗菌等多种生物活性的咖啡酸衍生物，已在60多种植物中被发现。此前研究表明，紫锥花（Echinacea）通过BAHD酰基转移酶（EpHTT催化咖啡酰酒石酸合成，EpHQT催化绿原酸合成）和SCPL酰基转移酶（EpCAS利用绿原酸和咖啡酰酒石酸合成菊苣酸）完成菊苣酸的生物合成。而生菜作为广泛食用的蔬菜，虽含有菊苣酸，却未发现与紫锥花类似的BAHD家族HTT酶，暗示存在替代合成途径。
本研究通过系统分析发现，生菜中存在4个串联重复的SCPL酰基转移酶基因（LsSCPL1-4）。CRISPR-Cas9基因编辑实验显示，同时敲除这4个基因会导致生菜毛状根中菊苣酸和咖啡酰酒石酸含量显著降低，绿原酸和酒石酸含量升高，表明它们参与菊苣酸合成。进一步的体外酶活和体内功能验证表明：LsSCPL2和LsSCPL4作为菊苣酸合酶（CAS），以咖啡酰酒石酸为酰基受体、绿原酸为酰基供体催化菊苣酸合成；LsSCPL1和LsSCPL3则作为咖啡酰酒石酸合酶（CFS），通过关键氨基酸替换（如Y/F替换）改变底物偏好，以酒石酸为酰基受体、绿原酸为酰基供体合成咖啡酰酒石酸。
此外，这一串联重复的SCPL基因簇在菊科菊苣族的近缘物种（如菊苣、蒲公英、野生生菜等）中高度保守。与紫锥花通过BAHD酰基转移酶合成咖啡酰酒石酸不同，生菜通过SCPL酰基转移酶完成这一过程，体现了菊科植物菊苣酸生物合成的趋同进化。该研究揭示了植物特化代谢中酰基转移酶活性的复杂性，为培育高菊苣酸含量的生菜品种提供了分子基础。