2026年10月28日，青岛农业大学园艺学院张忠华/张慧敏团队联合北京大学药学院叶敏团队在国际植物科学期刊Molecular Plant发表了题为“The SDR110C1-AKR4A1 Enzymatic Module Generates C3α-Hydroxylation of Cucurbitacin C and Shapes Triterpenoid Diversity in Cucurbitaceae Plants”的研究论文。

　　本研究明确了葫芦素C的3α-羟基构型，鉴定了由CsSDR110C1和CsAKR4A1组成的双酶催化模块，揭示了植物通过连续氧化还原反应实现三萜羟基立体构型翻转的机制，补全了葫芦素C生物合成途径的关键拼图。进一步结合跨物种比较分析与结构生物学，阐明了双酶模块在葫芦科植物中的进化分化规律及其立体选择性催化的分子基础，揭示了关键代谢酶的功能演化与三萜化学多样性形成之间的联系，为理解植物特化代谢的演化机制及葫芦科作物的品质改良提供了新的理论依据。

　　葫芦烷型三萜化合物葫芦素是葫芦科植物特征性的次生代谢产物，广泛存在于黄瓜、甜瓜、西瓜和苦瓜等重要经济作物中。这类化合物不仅参与植物抵御病虫害的防御过程，也是影响果实苦味及品质的重要因素。其中，葫芦素C是黄瓜苦味形成的主要物质，其生物合成途径一直受到广泛关注。不同葫芦科植物的葫芦烷型三萜表现出明显的C3位结构差异，主要包括3β-羟基、3-酮基和3α-羟基三种类型。然而，这些不同的C3位结构如何形成，以及其背后的酶学机制和进化基础，仍有待阐明。

　　SDR110C1–AKR4A1双酶模块实现C3位羟基由β构型向α构型的转变
　　通过化学成分分析和转录组共表达分析，鉴定出两个关键的氧化还原酶CsSDR110C1和CsAKR4A1。其中，CsSDR110C1首先催化3β-羟基型中间体氧化生成相应的3-酮基产物。随后，CsAKR4A1将其立体选择性地还原为3α-羟基型产物，从而实现C3位羟基由β构型向α构型的转变。值得注意的是，CsAKR4A1是目前报道的首个能够催化3-酮基三萜生成3α-羟基产物的植物来源酶。进一步通过CRISPR/Cas9基因编辑获得两个独立的CsAKR4A1敲除株系。代谢物分析显示，野生型黄瓜叶片中可检测到葫芦素C，而两个突变体中均未检出；相反，3-酮基-去乙酰葫芦素C和3-酮基-葫芦素C在野生型中均未检出，而在两个突变体中积累。此外，瞬时过表达和病毒诱导基因沉默（VIGS）实验也进一步证实了以上两个基因在黄瓜葫芦素C生物合成中的关键作用（图1和图2）。

　　图1 CsSDR110C1和CsAKR4A1的催化功能鉴定及体内验证

　　图2 CsSDR110C1和CsAKR4A1完善葫芦素C生物合成途径

　　SDR110C1和AKR4A1的进化分化塑造了葫芦科三萜的化学多样性
　　为了探究葫芦科植物三萜C3位结构多样性的形成机制，研究团队对来自9个属的10种代表性葫芦科植物开展了比较基因组与酶功能分析。研究发现，除苦瓜以外，其余物种均保留了SDR110C1的共线性同源基因，而苦瓜中该基因的缺失可能与其主要积累3β-羟基型三萜有关。相比之下，AKR4A1在不同物种中表现出明显的功能分化：部分物种缺失该基因，部分同源基因由于外显子缺失而丧失催化活性；甜瓜和蛇瓜中的AKR4A1虽保留催化活性，但表达水平较低，可能限制了3α-羟基型三萜的积累（图3）。上述结果表明，SDR110C1和AKR4A1在葫芦科植物中的基因缺失、结构变异及表达分化，可能通过影响C3位的氧化还原修饰过程，共同塑造不同物种间的三萜化学多样性。

　　图3 AKR4A1的功能分化及其对3α-羟基形成的影响

　　北京大学药学院博士后陈怡、张梦和青岛农业大学园艺学院硕士生刘婷婷为论文共同第一作者，北京大学药学院叶敏教授和青岛农业大学园艺学院张慧敏副教授为共同通讯作者。青岛农业大学园艺学院张忠华教授，华中科技大学同济药学院周渊教授和中国农业科学院蔬菜花卉研究所朱璨对该项研究工作提供了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划项目（2023YFA0914100）、国家自然科学基金（82621004、32130093）和中国博士后科学基金（2025M773890）的资助。