解码植物的“化学武器”
植物不会移动，不会逃避，也不会反击。但在亿万年的进化中，它建立了一套精密的化学防御体系，用以应对来自动物、昆虫和微生物的持续威胁。
棉花在种子中积累棉酚，抵御动物取食；烟草在叶片中合成尼古丁，麻痹啃食者的神经系统；药用植物红豆杉产生的紫杉醇，对多种真菌和昆虫具有毒性……今天，科学家正在向这些植物学习，利用合成生物学手段，将它们的化学防御产物转化成人类治疗疾病、开发药物的新途径。
7月7日，2026年“活力中国调研行”上海站采访活动走进中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称“中心”），科研人员向记者讲述了这些来自田间和实验室的发现。
中心人工气候室外景。樊晓丽摄棉花的“生存兵法”
棉花植株表面分布着大量黑色腺体，这些腺体合成并储存棉酚：一种对昆虫具有显著毒性的倍半萜类化合物。棉铃虫取食后，生长发育会受到明显抑制。
值得注意的是，棉花的种子中也积累了高浓度棉酚。从进化角度看，这并非偶然。棉籽富含蛋白质和油脂，对动物来说是极具吸引力的食物来源。种子中积累的棉酚，实际上起到了抵御取食者的保护作用。正是这一化学防御机制，帮助棉花物种在自然选择中得以延续。
然而，这种防御机制给人类出了道难题。全球棉花年产量达数千万吨，棉籽约占棉花生物量的近六成。若能安全利用，将是重要的粮食和饲料资源。但棉酚对非反刍动物和人类具有生殖毒性，限制了棉籽的开发利用。
中国科学院院士、中心研究员陈晓亚团队经过近三十年研究，找到了其中的破解之道。研究发现，棉酚具有轴手性，存在左旋和右旋两种对映异构体。左旋棉酚对人类和非反刍动物具有生殖毒性，而右旋棉酚不影响哺乳动物精子的产生，但与左旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性。
植物体内存在两条棉酚合成途径，分别受GhDIR5和GhDIR6两个引导蛋白基因控制。研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除GhDIR5基因后，棉籽中的左旋棉酚合成被阻断，毒性显著降低，而右旋棉酚的合成未受影响，棉花植株的抗虫性得以完整保留。
更令人称奇的是：进化分析显示，GhDIR5基因的出现时间大约在500万至1300万年前，这一时期恰好与地球上啮齿类动物的大爆发相吻合。这意味着，棉属植物在应对哺乳动物取食压力的过程中，可能逐步演化出了这一针对性防御机制。
实际上，植物和动物间的博弈，从来不是单方面的。昆虫也在不断进化出应对策略。陈晓亚团队还发现，绿盲蝽在取食棉花时，会向植物体内分泌一种名为ASP1的蛋白。这种蛋白能够激活棉花的防御反应，促使植物产生大量防御化合物。但这些防御化合物对绿盲蝽不构成威胁，却对棉铃虫具有显著的抑制效果。绿盲蝽借此间接压制了棉铃虫这一竞争物种。这一发现揭示了自然界中物种间相互作用的复杂性：植物的防御机制，有时会被“第三者”巧妙利用。
烟草的“自我防御”
烟草的化学防御武器是尼古丁。这种生物碱能够高效作用于昆虫的神经系统，取食后迅速导致其活动能力丧失。
但烟草是如何合成尼古丁的至今未知。另一方面，在合成尼古丁的过程中会产生多种有毒中间产物，部分中间体的毒性甚至高于终产物尼古丁本身。烟草如何“自我防御”，一直是植物化学领域的重要科学问题，相关机制困扰了学界近八十年。
2026年4月，中心研究员李大鹏团队在《细胞》杂志上发表了这一机制的解析结果。研究表明，烟草的尼古丁合成并非由单一的“尼古丁合成酶”完成，而是由五种蛋白质组装成一个定位于液泡膜上的动态代谢通道。
这一通道的工作机制可概括为“合成与偶联”：烟酸经糖基化修饰后，依次由还原酶、类小檗碱桥酶和葡萄糖苷水解酶催化，最终生成尼古丁，并通过MATE转运蛋白直接储存于液泡中。整个过程中，有毒的中间产物始终被酶复合体包裹，未进入细胞质基质。这种“边合成、边隔离、边储存”的模式，有效避免了中间产物泄漏对细胞造成的损害。
这套代谢通道同时实现了三个功能：底物高效转化、中间产物零泄漏、终产物及时隔离。在进化过程中，烟草以一套完整的分子机制，解决了化学合成中“生产、储存、防毒”三个核心问题。
这一发现，就像找到了植物防御系统的“控制面板”。基于尼古丁等防御物质的合成与调控规律，未来，我们不仅能为培育自带“杀虫剂”、无需打药的抗虫作物提供基因资源；更能以此为灵感，开发出高效、低毒、易降解的新型绿色生物农药。
红豆杉的“意外贡献”
遇损伤迅速响应，是红豆杉重要的防御策略。一旦遭受虫害、机械损伤或真菌侵染，其体内的信号通路便会被激活，启动紫杉醇等防御物质的合成。
后来，这一对真菌和昆虫具有广谱毒性的防御产物，被发现对人类癌细胞同样具有杀伤力。紫杉醇能够稳定微管蛋白，抑制细胞分裂，特别是对快速增殖的肿瘤细胞尤为有效，因此成为全球范围内应用最广的天然抗癌药物之一。
然而，紫杉醇在红豆杉树皮中的含量极低，仅为干重的万分之一左右。提取一剂临床用量，需要消耗多棵数十年甚至百年树龄的红豆杉。上世纪90年代，全球红豆杉资源因此遭到严重破坏。
中心研究员王勇团队另辟蹊径，不再依赖红豆杉提取，而是将紫杉醇的生物合成途径导入其他植物底盘中进行生产。
烟草作为植物界的“实验小白鼠”，具有生长周期短、遗传转化效率高、生物量较大等优势。2019年，团队首次在本氏烟草中实现了紫杉醇关键中间体5α-羟基紫杉二烯的异源合成，标志着植物底盘生产紫杉醇前体成为可能。
此后，团队将这一策略拓展至其他药用天然产物的生产。2025年，团队在本氏烟草中实现了抗菌药物小檗碱的完整生物合成；同年，在银杏中发现了裸子植物特有的CYP90J酶，并在大肠杆菌中实现了抗神经退行性疾病药物候选分子双黄酮的从头合成。
2025年，团队在研究过程还中发现一个“反常”现象：在烟草中生产小檗碱时，把“生产指令”转录因子CjWRKY1的强度调低，产量反而增加了222%。植物不是机器，过度施压会让它“启动自我保护机制”，关闭生产线。找到那个恰到好处的强度，比一味加码更有效。
回望这场植物与动物的化学战争：棉花通过棉酚的对映异构体选择，实现了对哺乳动物和昆虫的差异化防御；烟草通过代谢通道的区室化组装，找到了“自我防御”的操控开关；红豆杉产生的紫杉醇，则在数千年后被人类发现具有独特的药用价值。
从破解植物的生存密码，到改写植物的化学程序，中国科学家正在这条独特的赛道上，着力为粮食安全和人民健康寻找更多来自大自然的解决方案。
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