Abstract Plants synthesize myriad phylogenetically-restricted specialized (aka ‘secondary’) metabolites with diverse structures. Metabolism of acylated sugar esters in epidermal glandular secreting trichomes across the Solanaceae (nightshade) family are ideal for investigating the mechanisms of evolutionary metabolic diversification. We developed methods to structurally analyze acylhexose mixtures by 2D NMR, which led to the insight that the Old World species black nightshade ( Solanum nigrum ) accumulates acylglucoses and acylinositols in the same tissue. Detailed in vitro biochemistry – cross validated by in vivo virus induced gene silencing – revealed two unique features of the four-step acylglucose biosynthetic pathway: a trichome-expressed, neofunctionalized invertase-like enzyme, SnASFF1, converts BAHD-produced acylsucroses to acylglucoses, which in turn are substrates for the first-reported acylglucose acyltransferase, SnAGAT1. This biosynthetic pathway evolved independently from that recently described in the wild tomato S. pennellii , reinforcing that acylsugar biosynthesis is evolutionarily dynamic with independent examples of primary metabolic enzyme cooption and additional variation in BAHD acyltransferases. Teaser Analysis of plant protective surface hair chemistry revealed evolutionary mechanisms leading to metabolic innovation.

Solanaceae (nightshade family) species synthesize a remarkable array of clade- and tissue-specific specialized metabolites. Protective acylsugars, one such class of structurally diverse metabolites, are produced by acylsugar acyltransferases from sugars and acyl-Coenzyme A esters. We characterized trichome acylsugars of the Clade II species Solanum melongena (brinjal eggplant) using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), gas chromatography-MS and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. This led to the identification of eight unusual structures with inositol or inositol glycoside cores, and hydroxyacyl chains. LC-MS analysis of 31 species in the megadiverse Solanum genus revealed striking acylsugar diversity with some traits restricted to specific clades and species. Acylinositols were found throughout each clade while acylglucoses were restricted to DulMo and VANAns species. Medium length hydroxyacyl chains were identified in many species. Analysis of tissue-specific transcriptomes and interspecific acylsugar acetylation differences led to the unexpected identification of the S. melongena AcylSugar AcylTransferase 3-Like 1 (SmASAT3-L1; SMEL4.1_12g015780) enzyme. This enzyme is distinct from previously characterized acylsugar acetyltransferases, which are in the ASAT4 clade, and appears to be a functionally divergent ASAT3. This study provides a foundation for investigating the evolution and function of diverse Solanum acylsugar structures and harnessing this diversity in breeding and synthetic biology.

Abstract Plants make a variety of specialized metabolites that can mediate interactions with animals, microbes and competitor plants. Understanding how plants synthesize these compounds enables studies of their biological roles by manipulating their synthesis in vivo as well as producing them in vitro . Acylsugars are a group of protective metabolites that accumulate in the trichomes of many Solanaceae family plants. Acylinositol biosynthesis is of interest because it appears to be restricted to a subgroup of species within the Solanum genus. Previous work characterized a triacylinositol acetyltransferase involved in acylinositol biosynthesis in the Andean fruit plant Solanum quitoense (lulo or naranjillo). We characterized three additional S. quitoense trichome expressed enzymes, and found that virus induced gene silencing of each caused changes in acylinositol accumulation. Surprisingly, the in vitro triacylinositol products of these enzymes are distinct from those that accumulate in planta . These enzymes, nonetheless, provide an opportunities to test the biological impact and properties of these triacylinositols in vitro .

Plants make hundreds of thousands of biologically active specialized metabolites varying widely in structure, biosynthesis and the processes that they influence. An increasing number of these compounds are documented to protect plants from harmful insects, pathogens, or herbivores, or mediate interactions with beneficial organisms including pollinators and nitrogen fixing microbes. Acylsugars - one class of protective compounds - are made in glandular trichomes of plants across the Solanaceae family. While most described acylsugars are acylsucroses, published examples also include acylsugars with hexose cores. The South American fruit crop Solanum quitoense (Naranjilla) produces acylsugars that contain a myo-inositol core. We identified an enzyme that acetylates triacylinositols, a function homologous to the last step in the Solanum lycopersicum acylsucrose biosynthetic pathway. Our analysis reveals parallels between S. lycopersicum acylsucrose and S. quitoense acylinositol biosynthesis, suggesting a common evolutionary origin.