许多具有医学价值的天然植物产物的生物合成途径尚未明确。在一项新研究中，国际科研团队成功解析了传统药物吐根生物碱的合成机制。通过比较两种亲缘关系较远的植物物种，研究发现尽管两者采用相似的化学途径，但合成所需的酶系存在差异且使用不同起始原料。进一步研究表明，这些复杂化合物的生物合成路径在两个物种中独立进化形成。该发现将有助于大规模合成此类及相关物质以供医疗应用。
植物产生极其丰富的天然产物。许多植物天然产物具有谱系特异性，仅存在于特定植物科中，有时甚至仅存在于单一物种中。然而有趣的是，相同的物质有时能在远缘物种中被发现。但在大多数情况下，人们仅了解终产物，这些物质在植物体内的合成途径仍基本未知。吐根生物碱存在于两种远缘的药用植物中：茜草科的吐根Carapichea ipecacuanha，以及山茱萸科的楤木Alangium salviifolium（该植物在阿育吠陀医学中被广泛应用）。
早期研究已证实这两种植物均能产生吐根生物碱。尤其是吐根提取物（"吐根糖浆"）在1980年代前曾是北美地区广泛使用的药房专售药物，用于中毒时催吐。其活性催吐成分为吐根酚碱和依米丁，二者均衍生自前体物质原吐根碱，但其合成机制长期不明。此前仅有两项小型研究在吐根中鉴定出部分相关酶，但大多数酶仍属未知，而楤木中的合成酶则完全未被发现。
该研究第一作者、马克斯·普朗克化学生态研究所（耶拿）天然产物生物合成部项目组长马伊特·科利纳斯指出核心问题："这些物种的最后共同祖先存在于1亿多年前，因此我们推测两种植物独立进化出了吐根生物碱的合成能力。关键问题在于它们是否通过相同或不同的化学及酶促途径合成这些化合物。"
研究团队首先发现吐根生物碱在两种植物的所有组织中均有微量存在，但在幼叶组织和地下器官中含量显著更高。通过比较高低含量组织，研究人员锁定了可能参与生物合成的基因。后续实验及模式植物的遗传转化实验，成功在两种植物中逐步重建了生物合成通路。该通路展现出诸多意外发现：与预期相反，生物合成的第一步似乎不受酶控而是自发进行；另一意外是某种特殊酶的参与——其三维结构与催化相同反应（糖分子裂解）的其他酶完全不同。"这类酶通常不参与天然产物合成，这很可能也是我们在研究中最后才鉴定出它的原因。"科利纳斯解释道。
值得注意的是，这种糖裂解酶定位于细胞核，而其底物被认为存在于液泡中。糖链裂解后的物质具有高反应活性，可能具有毒性。通过酶与底物的空间隔离，植物避免了这些有毒化合物的积累。但当食草动物（如毛虫）啃食植物时，细胞破裂导致酶与底物接触，毒素仅在需要时作为防御性物质产生。类似的"酶-底物空间隔离防御机制"在芥子油苷、皂苷或单萜吲哚生物碱等其他天然产物中已有报道，表明植物反复利用相同防御策略处理化学特性迥异的化合物。
两种植物生物合成酶的对比分析显示，它们可能在进化过程中独立演化出合成相同生物碱类群的能力。"由于吐根生物碱的生物合成似是独立进化的，该通路可作为天然产物途径演化研究的模型。下游代谢产物（特别是楤木中的管藻素）具有显著药理活性，但因丰度低而研究不足。我们的研究有助于未来规模化生产这些物质，以深入探索其药理活性。"化学生态研究所天然产物生物合成部主任莎拉·奥康纳强调了该研究价值。
后续研究将聚焦生物合成终末步骤的解析，目前代谢通路仅追溯到关键中间体原吐根碱阶段，其向终产物的转化步骤仍有待阐明。