Cell重磅發布！中國科學院李大鵬團隊首次完整解析尼古丁生物合成通路，破解七十年科學謎題

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心李大鵬團隊一項發表在頂尖學術期刊《Cell》上的重磅研究，首次完整闡明了煙草中關鍵生物堿——尼古丁的全程生物合成路徑。該研究不僅破解了困擾學界長達七十余年的科學謎題，還揭示了一種獨特的、在液泡膜上組裝的“五組分代謝區室”，該結構像一個高效的“分子流水線”，協同催化尼古丁的合成與轉運。這一發現為理解植物復雜天然產物的合成邏輯及未來在合成生物學領域的應用提供了全新范式。

圖形摘要

從迷霧到清晰：糖基化是隱藏的關鍵步驟

多維組學揭示尼古丁生物合成的時空同步化基因模塊

該研究團隊通過信息理論指導的多組學分析，包括代謝組、轉錄組、單細胞測序和代謝數量性狀位點分析，意外發現糖基化相關基因與已知的尼古丁合成基因高度協同表達。深入探究后，他們揭示了隱藏的糖基化步驟是耦合反應得以順利進行的核心“鑰匙”。

具體而言，完整的通路如下：煙酸首先被一個尿苷二磷酸糖基轉移酶催化，生成煙酸-N-葡萄糖苷。隨后，這個糖基化產物被還原酶A622還原并活化，進而與來自另一條合成路徑的N-甲基吡咯啉陽離子，通過一個立體選擇性的分子間曼尼希樣反應進行縮合。形成的中間體接著被一個黃連堿橋酶類似物氧化，最后經由一個β-葡萄糖苷酶水解除去糖基，最終生成尼古丁。

一個意外的無尼古丁品系結合基于信息論的非靶向代謝組學揭示NAMN水解酶與糖基化中間代謝物參與尼古丁生物合成

分子流水線：液泡膜上的五組分代謝區室

尼古丁的體外與體內生物合成及工程化

令人驚嘆的是，研究團隊發現催化上述步驟的五個關鍵蛋白（NaUGT1, NaA622, NaBBL2, NaBGL1 和轉運蛋白NaMATE1）并非獨立工作，而是在煙草根細胞的液泡膜上動態組裝成一個多酶“代謝區室”。

通過雙分子熒光互補、熒光壽命成像-熒光共振能量轉移等多種技術，研究證實了這些蛋白之間存在直接的相互作用。這個在膜上形成的蛋白復合體就像一條高度組織化的“分子裝配線”，能夠將不穩定的中間產物在不同酶活性位點間進行“通道化”傳遞，防止其擴散或被其他反應消耗，從而極大提高了合成效率，并避免了毒性中間體在細胞中積累對植物自身造成傷害。

這個代謝區室巧妙地解決了尼古丁生物合成中的“自體毒性”難題，它將高活性、有潛在毒性的中間產物的合成、轉化與最終產物向液泡的轉運過程在空間上整合在一起，是自然進化出的精妙解決方案。

植物體內的蛋白質相互作用揭示多酶蛋白復合物在液泡膜上形成，促進通道化的尼古丁生物合成與運輸

應用潛力：異源重建通路，賦能作物抗蟲

在異源植物物種中重建尼古丁生物合成與運輸代謝區室可賦予增強的抗蟲性

為驗證該通路的完整性與應用潛力，研究團隊成功在非煙草植物（如番茄、茄子和豌豆）的葉片中，通過導入包括NaMATE1轉運蛋白在內的全套合成基因，實現了尼古丁的從頭合成。結果顯示，包含NaMATE1的完整代謝區室重建，能顯著提高異源植物中的尼古丁產量。

更重要的是，表達了該尼古丁合成通路的豌豆植株，對害蟲斜紋夜蛾幼蟲表現出顯著的抗性。與對照相比，取食工程植株的幼蟲體重增長減半，死亡率顯著升高。這證明，利用合成生物學手段將尼古丁等防御性生物堿的通路轉入其他作物，是開發新型抗蟲作物的可行策略。

研究意義與未來展望

此項研究不僅完整繪制了尼古丁的生物合成藍圖，揭示了糖基化修飾和動態代謝區室在植物天然產物合成中的核心作用，更重要的是，它為解決其他具有復雜“支架形成”步驟的植物生物堿合成難題提供了全新思路和研究范式。所發現的代謝區室組裝原理，也為未來在微生物或植物底盤細胞中高效、定向合成高價值手性天然產物提供了關鍵的設計原則。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00335-1

【關于投稿】

轉化醫學網（360zhyx.com）是轉化醫學核心門戶，旨在推動基礎研究、臨床診療和產業的發展，核心內容涵蓋組學、檢驗、免疫、腫瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究內容發表，歡迎聯系我們進行免費報道（公眾號菜單欄-在線客服聯系），我們的理念：內容創造價值，轉化鑄就未來！

轉化醫學網（360zhyx.com）發布的文章旨在介紹前沿醫學研究進展，不能作為治療方案使用；如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。

責任聲明：本稿件如有錯誤之處，敬請聯系轉化醫學網客服進行修改事宜！

微信號：zhuanhuayixue

★ 3月份熱門內容 ★

01

02

03

04

05

06