转录组和蛋白质组学解析干旱和盐胁迫影响大青叶品质的机制：多组学视角下的新突破

研究人员针对大青叶品质受环境因素影响的问题，开展多组学研究，揭示了相关机制并提出新质控方案。

　　大青叶，作为一种传统的中药材，在东方国家已有数百年的应用历史，被广泛用于治疗感冒、发热、喉咙痛等多种疾病。其主要活性成分包括生物碱、黄酮类化合物、有机酸和多糖等，其中吲哚生物碱是最重要的一类，靛蓝（Indigo）和靛玉红（Indirubin）更是标志性成分，它们的含量直接影响着大青叶的品质。然而，大青叶的品质却受到多种因素的困扰，产地、种质、生长环境以及收获季节等都会导致其品质参差不齐。土壤盐碱化和气候干旱等非生物胁迫，更是给大青叶的生长和品质带来了巨大挑战。

目前，大青叶的质量控制体系存在诸多不足。现有的质量评估方法大多依赖单一指标，难以全面、准确地评价其品质。例如，《中国药典》规定通过高效液相色谱（HPLC）测定靛玉红含量来评估大青叶质量，但这种方法无法反映其他活性成分的情况。而且，相关研究较为分散，尚未形成统一的质量控制方法和体系，这使得市场上大青叶的质量差异较大，严重影响了其临床疗效，也阻碍了现代中药的发展。

为了深入了解大青叶品质受环境因素影响的内在机制，山东第一医科大学的研究人员开展了一项综合性研究。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过超高效液相色谱（UPLC）对大青叶中的多种活性成分进行定量分析，准确测定了不同胁迫条件下大青叶中活性成分的含量变化。其次，运用转录组测序和蛋白质组测序技术，全面分析了大青叶在干旱和盐胁迫下基因和蛋白质的表达情况。同时，对大青叶的生理指标进行测定，如光合色素含量、相对电导率（REC）等，以评估其生理状态。

研究结果如下：

1. 表型和生理响应：干旱胁迫下，大青叶叶片变小、变薄、变软且出现褶皱；盐胁迫则导致叶片逐渐黄化、边缘卷曲、枯萎并出现坏死斑。同时，两种胁迫都显著降低了光合色素的含量，抑制了光合作用，并且破坏了细胞膜的结构和功能，导致细胞内物质大量外渗。
2. 活性成分含量变化：UPLC 分析结果显示，与对照组相比，干旱胁迫组中所有五种活性成分（4 - 羟基喹唑啉、丁香酸、色胺酮、靛蓝和靛玉红）的含量均显著降低；盐胁迫组中，除 4 - 羟基喹唑啉外，其他四种成分的含量也明显下降。根据《中国药典》2020 年版标准，靛玉红的标准含量为 0.02%，本研究中对照组靛玉红含量为 0.1%，干旱组为 0.046%，180mmol/L 盐胁迫组为 0.018%，表明在这两种逆境胁迫下大青叶的品质显著下降。
3. 转录组和蛋白质组分析：转录组分析发现，干旱组和盐胁迫组分别有 4603 个和 6903 个差异表达基因（DEGs）。蛋白质组分析显示，干旱胁迫组和盐胁迫组分别有 336 个和 761 个差异表达蛋白质（DEPs）。通过基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析，发现干旱胁迫主要影响光合作用、刺激响应和碳水化合物结合等生物学过程和途径；盐胁迫则主要富集在对外部刺激的响应、植物激素信号传导和吲哚生物碱生物合成等途径。联合分析还发现，在卟啉代谢、色氨酸代谢、吲哚生物碱生物合成等途径中，基因和蛋白质的表达趋势基本一致，且大多呈下调趋势。
4. 关键基因和蛋白质的作用：研究发现，HemB、PsbB、RBS2 和 RIBA2 等基因和蛋白质在干旱和盐胁迫下对大青叶的生长和品质起着重要作用。例如，HemB 和 POR 基因的下调会抑制叶绿素的合成，导致光合色素含量降低；PsbB 和 PsbQ1 表达下调会破坏光系统 II（PSII）的结构和功能，抑制光合作用；RBS2 和 RIBA2 表达下调则会抑制光合作用中的碳固定过程。此外，热休克蛋白（HSP）家族成员如 HSP21、HSP22 和 HSP70 在胁迫条件下显著上调，它们作为分子伴侣帮助维持细胞内蛋白质的稳定构象，对植物抵抗逆境起到一定的保护作用，但当胁迫过于强烈时，这种保护机制也无法阻止大青叶生长和生理状态的恶化。

研究结论和讨论部分指出，干旱和盐胁迫通过多种途径影响大青叶的生长、生理状态和活性成分的合成与积累。卟啉代谢、光合作用和碳固定等生物学途径是导致大青叶在胁迫下光系统光毒性和生长状态恶化的主要原因；而苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸合成、色氨酸代谢以及吲哚生物碱合成等途径则是造成活性成分含量下降的关键因素。基于化学分析和多组学技术的整合，研究人员提出了一种新的大青叶分级质量控制方案，即通过 UPLC 定量分析主要化学指标来评估活性成分水平，利用 qPCR 分析监测与活性成分生物合成和胁迫响应相关的遗传指标，从而评估种植条件的优劣和植物对环境的适应性。

这项研究首次运用多组学技术系统地探究了大青叶在非生物胁迫下的品质形成机制，填补了 “逆境 - 草药品质 - 机制” 方面的研究空白。研究结果为制定大青叶的质量标准、优化种植条件以及培育高产优质的大青叶品种提供了重要的理论依据，也为中药质量控制体系的完善和种质资源开发奠定了坚实基础，对推动传统中药的创新发展具有重要意义。