不同步：喹诺利嗪生物碱的演化并未与 Genisteae（豆科）中的系统发育关系保持一致

《Phytochemistry》：Out of Sync: Quinolizidine alkaloid evolution does not track phylogenetic relationships in Genisteae (Fabaceae)

　　**莎拉·G·亨特 | 菲奥娜·T·麦克尼尔 | 多明戈斯·卡多索 | 罗伯特·K·詹森 | 布莱恩·E·塞迪奥**
**德克萨斯大学奥斯汀分校综合生物学系，美国德克萨斯州奥斯汀**

**摘要**
喹诺利西啶生物碱（QAs）是一类具有抗食草动物防御功能和药用价值的特化植物代谢物。它们在豆科（Fabaceae）中的Genistoid分支中广泛存在，尤其是在Genisteae族中。以往研究QAs分布的文献使用的分类单元数量有限。本研究通过对Genisteae族高度解析的系统基因组树进行分析，提供了最全面的分类学调查，以探讨其进化过程。从41个分类单元的新鲜或标本组织中提取了化学化合物，其中包括来自25个Genisteae属中的24个属的各一个物种。在Lupinus和Teline/Genista分支中进行了更广泛的物种采样。所得到的液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）数据使得能够详细分析QAs的存在/缺失、化学相似性、潜在的分组因素以及系统发育信号。研究结果表明，喹诺利西啶生物碱存在于所有Genisteae分支和所有被采样的分类单元中，这突显了它们的广泛分布。QAs在Genisteae中的分布与分支类型、样本来源、新世界/旧世界的Lupinus物种或历史上被归类为Teline的物种之间几乎没有明显模式。总体而言，这些生物碱在分类单元和组织类型上的化学分组较弱。QAs本身也没有显示出明显的系统发育信号。本研究为Genisteae中的QAs提供了更完整的图谱，揭示了其化学多样性并不遵循系统发育关系。分析结果在分组因素和化学相似性方面支持了这一观点，尽管在生物碱水平上组织类型存在显著影响。

**引言**
喹诺利西啶生物碱（QAs）是几乎存在于所有豆科（Fabaceae）Genistoid分支中的特化植物代谢物，但Crotalaria L.和Lotononis (DC.) Eckl. & Zeyh.除外（Flores等人，2009；Wink，2013, 2008）。此外，它们在某些非豆科家族中也有零星分布，包括茄科（Solanaceae）、藜科（Chenopodiaceae）、毛茛科（Ranunculaceae）和小檗科（Berberidaceae）（Wink，2003）。由于在豆科内的分布分散，推测产生QAs化合物的遗传途径相对较早进化，这些基因在大多数情况下不表达，仅在使用QAs作为化学防御的植物中表达（Macias等人，2003；Wink，2013, 2003, 1993, 1992）。分布不均的原因可能还包括由于之前的植物化学分析不完整而导致的数据缺失，或由于独立进化导致的性状趋同（Wink，2013）。此外，已知QAs化合物的浓度会因生长条件和叶片年龄而波动，这给生物碱浓度的量化带来了复杂性（Hama和Strobel，2020；Khedr等人，2025）。

喹诺利西啶生物碱起源于L-赖氨酸氨基酸，含有一个或两个喹诺利西啶结构，每个结构由两个六元环通过氮原子连接而成（Cely-Veloza等人，2023；“PubChem化合物摘要CID 119036，喹诺利西啶”，2024）。目前已知有七种常见的QAs类型：羽扇豆碱（lupanine）、斯帕丁碱（sparteine）、阿纳吉林（anagyrine）、胞嘧啶碱（cytisine）、四氢胞嘧啶碱（tetrahydrocytisine）和马特林（matrine）。已知尸碱（cadaverine）和Δ1-哌啶碱（Δ1-piperideine）是QAs代谢途径中的前体化合物和中间产物（Cely-Veloza等人，2023；Frick等人，2017）。哌啶生物碱与QAs共享部分核心代谢途径，都始于L-赖氨酸并利用相同的Δ1-哌啶中间产物（Cely-Veloza等人，2023；Yang，2015）。特化代谢物通常在植物中发挥防御作用，QAs具体表现为神经毒素，能够调节烟碱型乙酰胆碱（nAChR）和毒蕈碱型乙酰胆碱（mAChR）受体，这些受体具有钠通道阻滞作用（Macias等人，2003；Wink，2013）。这些受体在体内广泛分布，激活后会对多种器官产生负面影响。大多数QAs主要作用于其中一种受体，导致化合物主要影响烟碱型或毒蕈碱型受体。然而，两种最常见的QAs类型——羽扇豆碱和斯帕丁碱也被发现能影响钠通道和钾通道，这可能增加了它们的毒性（Macias等人，2003；Schmeller等人，1994）。

除了抗食草动物功能外（Aly等人，2022；Hu等人，2022；Zou等人，2020），QAs化合物还展现出多种药用价值。马特林、羽扇豆碱、胞嘧啶碱和某些羽扇豆碱化合物对癌细胞系具有细胞毒性（Cely-Veloza等人，2023；Li等人，2022；Liu等人，2014；Rong等人，2022）。此外，几种QAs化合物还被研究用于对抗乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒、人类疱疹病毒-6、烟草花叶病毒和番茄斑萎病毒（Cao等人，2014；Cely-Veloza等人，2023；Hu等人，2022；Qavi等人，2002；Wang等人，2011；Zou等人，2022，2018；Zou等人，2020）。斯帕丁碱和羽扇豆碱还具有抗心律失常作用，斯帕丁碱被商业用作抗心律失常药物，尽管现代合成替代品因副作用较少而更受欢迎（Macias等人，2003）。此外，斯帕丁碱、羽扇豆碱和13-羟基羽扇豆碱还具有降压和中枢神经系统抑制作用（Macias等人，2003）。Genistoids族包括Genisteae、Crotalarieae、Podalyrieae/Liparieae、Thermopsideae、Euchresteae、Sophoreae和Brongniartieae族，这些族中普遍含有QAs（Feitoza和Lima，2021；Wink，2013）。主要的例外是Crotalaria和Lotononis，这两个属产生的吡咯利西啶生物碱（PA）来自完全不同的生物合成途径，据认为它们不表达或失活了QAs基因（Flores等人，2009；Wink，2013，2008）。

Genisteae族包含一些被称为羽扇豆的食用物种，这些作物能在养分贫瘠的土壤中生长，可作为贫瘠环境的生态先锋。值得注意的是，Lupinus属中有四种具有农业价值的物种：L. angustifolius L.、L. albus L.、L. luteus L.和L. mutabilis Sweet（tarwi）（Frick，2017），这是一种安第斯高地豆类，具有极高的种子蛋白质和油含量，最近的研究集中在其起源和驯化上（Atchison等人，2016）。直到最近，人们认为Genisteae包含三个分支（Polhill，1977；Goldblatt，1981；K?ss & Wink，1997a；Percy & Cronk，2002；Ainouche等人，2003；Pardo等人，2008；Drummond等人，2012；Cardoso等人，2013；Choi等人，2022），但最新的系统基因组研究表明Genisteae实际上包含四个分支：Cytisus-Genista复合体、Lupinus分支、Anarthrophyllum组和Argyrolobium组（Hunter等人，2025），并且在所有四个分支中都发现了QAs。Lupinus分支的成员根据地理分布进一步分为两类：新世界Lupinus（分布于北美洲和南美洲）和旧世界Lupinus（分布于地中海地区以及北非和东非）（Bermúdez-Torres等人，2021；Pancaldi等人，2024；Tang等人，2021）。尽管羽扇豆是一种潜力较大的粮食作物，但QAs的毒性对某些Genisteae物种的栽培构成了障碍（Luo等人，2022；Wink等人，1995）。因此，需要更多关于QAs在Lupinus和Genisteae中的系统发育分布的信息，以更好地理解它们的多样性和进化过程。

本研究采用非靶向代谢组学方法调查了Genisteae中41个物种的生物碱分布，以回答三个问题：1）Genisteae的四个分支在QAs或生物碱组成上是否存在差异，以及化合物类型是否遵循系统发育关系？2）在特定群体内（如新世界/旧世界的Lupinus、历史上被归类为Teline的物种或样本的地理来源），分类单元在QAs或生物碱组成上是否存在差异？3）新鲜组织和标本之间的分类单元在QAs或生物碱组成上是否存在差异？

**研究结果**
在所有Genisteae分支和外部群中都观察到了喹诺利西啶生物碱（图1，表S1）。四种常见QAs类型——斯帕丁碱（ClassyFire概率0.87）、羽扇豆碱（ClassyFire概率0.84）、胞嘧啶碱（ClassyFire概率0.99）和马特林（ClassyFire概率0.98）——在各个分支中广泛存在，但分布不均，没有明显模式。这四种常见QAs类型是通过Canopus（Dührkop等人，2021）鉴定出来的，其中三种与已知结构匹配。

**结论**
本研究对Genisteae中的QAs分布及其与系统发育关系的一致性提供了更全面的了解。全生物碱数据集显示，组织类型（新鲜样本与标本样本）对数据分组有显著影响。喹诺利西啶生物碱存在于Genisteae的四个分支和所有分类单元中。据认为哌啶生物碱也共享部分QAs代谢途径（Cely-Veloza等人，2023；Yang，2015）。

**样本采集**
为41个分类单元收集了叶片组织，其中包括来自25个Genisteae属中的24个属的各一个物种（Argyrocytus除外）。为了代表系统发育中的主要谱系，对Lupinus、Genista、Cytisus和先前被归类为Teline的属进行了多物种采样（Ainouche等人，2003；Cardoso等人，2013；Choi等人，2022；Drummond等人，2012；Hunter等人，2025；E. K?ss和Wink，1997；Percy和Cronk，2002）。

**作者贡献声明**
- 布莱恩·E·塞迪奥：撰写、审稿与编辑、监督、资源提供
- 罗伯特·K·詹森：撰写、审稿与编辑、监督、资源提供
- 多明戈斯·卡多索：撰写、审稿与编辑
- 菲奥娜·T·麦克尼尔：撰写、审稿与编辑、数据分析、数据管理
- 莎拉·G·亨特：撰写初稿、可视化、软件使用、项目管理、方法设计、研究资助、数据分析、数据管理、概念构建

**未引用参考文献**
Greig等人；K?ss和Wink，1997；PubChem化合物摘要CID 119036，喹诺利西啶，2024；Van Wyk等人，1988。

**数据可用性**
序列访问代码见表S3。质谱数据存储在massIVE仓库中：ftp://massive-ftp.ucsd.edu/v10/MSV000098489/

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。