植物在长期演化过程中形成了精密的化学防御体系，通过合成具有细胞毒性的次生代谢物抵御植食性昆虫和病原微生物的侵害。然而，这类毒性物质若持续在胞内积累，将对自身细胞造成不可逆损伤。为解决这一根本性矛盾，植物演化出双组分化学防御系统——毒性化合物以无毒前体形式储存于特定细胞区室或组织，在遭受外界损伤时被分隔存放的激活酶所识别并转化为活性毒素，从而实现“损伤触发、局部激活”的精准防御。经典的植物双组分防御系统，包括十字花科的黑芥子酶-硫代葡萄糖苷系统、禾本科的β-葡萄糖苷酶-苯并噁唑啉酮系统等，其激活机制均依赖于β-葡萄糖苷酶切断糖苷键以释放活性苷元，底物多为单糖苷或结构相对简单的寡糖苷。

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近日，武汉大学中南医院、安徽中医药大学团队在 PNAS 发表研究，首次揭示了常春藤（Hedera helix）中一种糖链依赖型双组分化学防御系统，常春藤叶片中积累的常春藤皂苷 C（hederacoside C）可在损伤后被 β-葡萄糖苷酶 HhGH1 水解，生成活性更强的 α-常春藤皂苷（α-hederin）。研究团队进一步利用 AP-SMALDI-Orbitrap 质谱成像在叶片原位观察到代谢物的空间变化：常春藤皂苷 C 广泛分布于叶片中，而 α-常春藤皂苷主要出现在机械损伤区域，为“损伤触发的局部化学防御”提供了直接的空间证据。

常春藤（Hedera helix）中一种糖链依赖型双组分化学防御系统，常春藤叶片中积累的常春藤皂苷 C（hederacoside C）可在损伤后被 β-葡萄糖苷酶 HhGH1 水解

常春藤独特糖链型双组分防御通路完整解析

很多植物的杀虫抗菌天然物质对自身也有毒，糖基化能把毒素转化成安全糖苷储存。经典双组分防御体系里，糖基转移酶给活性分子接上糖，植物受伤后 β-葡萄糖苷酶切下糖，释放防御毒素。常春藤依靠三萜皂苷防御，健康叶片里是带 G-G-R 三糖链的无毒常春藤皂苷 C；植株受损时 HhGH1 可一次性完整水解整条糖链，生成剧毒 α-常春藤皂苷，区别于只切割单糖的常规水解酶。

植物双组分防御系统中糖基转移酶与 β-葡萄糖苷酶催化功能的相互关系

图1 植物双组分防御系统中糖基转移酶与 β-葡萄糖苷酶催化功能的相互关系

研究团队通过粗酶活性追踪、分级沉淀和差异蛋白组学，从常春藤叶片中筛选出候选 β-葡萄糖苷酶，并通过异源表达和酶活实验确认 HhGH1 能够将常春藤皂苷 C 转化为 α-常春藤皂苷（图 2A-F）。底物特异性测试显示，HhGH1 主要水解 C-28 位带有 Glc-Glc 或 Glc-Glc-Rha 糖链的三萜皂苷，HhGH1 是常春藤防御系统中的专一性触发酶，其功能依赖于 C-28 位糖链的精确结构。

A-F 活性导向纯化与蛋白组学鉴定 HhGH1

图2 A-F 活性导向纯化与蛋白组学鉴定 HhGH1

研究进一步补全了常春藤中负责 C-28 位糖链组装的酶模块。结果显示，Hh3398、HhUGT3 和 HhUGT4 三种糖基转移酶依次作用，可在 α-常春藤皂苷 C-28 位组装 Glc-Glc-Rha 糖链，生成常春藤皂苷 C。由此，常春藤中的双组分化学防御可以概括为两个相互衔接的过程：糖基转移酶将 α-常春藤皂苷转化为低毒前体常春藤皂苷 C；组织受损后，HhGH1 水解 C-28 位糖链，使前体重新转化为活性产物。

AP-SMALDI-Orbitrap
直观呈现叶片代谢物空间变化

为验证上述代谢转化是否发生在叶片原位，研究者利用 AP-SMALDI 搭载 Q Exactive 高分辨质谱仪分析常春藤叶片中常春藤皂苷 C 和 α-常春藤皂苷的空间分布。实验中，研究者用玻璃瓶在常春藤叶片表面施加可控压力模拟昆虫咬伤（叶片右半部分）。质谱成像结果显示，常春藤皂苷 C 在叶片中分布较广；相比之下，α-常春藤皂苷在机械损伤区域信号显著增强（图2H-I）。这种空间分布差异表明，常春藤皂苷 C 的水解并非全叶片同步发生，而是在组织受损后局部启动。AP-SMALDI MSI 的原位、免标记检测能力，使研究者能够直接观察前体和产物在组织中的空间转换关系。

G-I 活性导向纯化与蛋白组学鉴定 HhGH1

图2 G-I 活性导向纯化与蛋白组学鉴定 HhGH1

跨物种功能验证与伞形目酶进化规律解析

研究团队还在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）中对该系统进行异源重构。结果显示，在表达 HhGH1 并补充常春藤皂苷 C 后，烟草叶片对斜纹夜蛾幼虫表现出更强的拒食效果（图3）。与对照相比，幼虫取食面积由 75.3% 降至 43.9%，幼虫体长由 7.88 mm 降至 4.92 mm。这表明 HhGH1 介导的糖链依赖型防御模块具有跨物种发挥功能的潜力。对于作物抗虫研究而言，这类“低毒前体 + 特异性水解酶”的模块化设计值得关注。它既有助于降低植物自身毒性风险，也为构建诱导型抗虫性状提供了新的思路。

HhGH1 介导的双组分化学防御系统在本氏烟草中的重构

图3 HhGH1 介导的双组分化学防御系统在本氏烟草中的重构

研究还比较了伞形目（Apiales）不同植物中 HhGH1 同源酶的功能差异。结果显示，这类 β-葡萄糖苷酶虽然具有同源关系，但底物偏好已经发生明显分化。常春藤 HhGH1 专门识别 C-28 位 G-G-R 糖链；人参属（Panax）相关 β-葡萄糖苷酶则偏向识别 C-3 位糖基化的人参皂苷；积雪草（Centella asiatica）的 CaGH1 虽与 HhGH1 序列相近，但不具备相同的 G-G-R 糖链水解活性。不同植物谱系中底物结构的变化，可能推动了相关水解酶向不同催化功能演化。

质谱成像解锁植物防御新思路

从蛋白组筛选关键功能酶、质谱成像直观呈现代谢物原位分布，再通过多组学联合解析完整生物学通路，质谱及空间成像技术已成为植物基础与应用研究的核心支撑，助力科研人员从单一物质定量，深入阐释植物代谢调控、天然产物合成、作物抗逆背后完整分子机理。本研究为药用植物挖掘、抗逆作物育种、农业生物技术的创新研究，挖掘可用于作物抗虫的天然代谢模块，为药用植物挖掘、抗逆作物育种、农业生物技术的创新研究提供新思路。

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