整合代谢组与转录组揭示林泽兰黄酮类化合物生物合成通路及其调控网络

《Scientific Reports》：Integrative metabolomic and transcriptomic analyses reveal flavonoid biosynthesis pathway in Eupatorium lindleyanum

本研究通过整合代谢组与转录组分析，系统解析了药用植物林泽兰(Eupatorium lindleyanum)不同组织中黄酮类化合物的生物合成通路。研究人员鉴定了330个差异积累黄酮代谢物(DFMs)和53,610个差异表达基因(DEGs)，发现PAL、4CL、F3H等27个关键结构基因及AP2/ERF、MYB等69个转录因子(TFs)构成核心调控网络。该研究为通过代谢工程培育高黄酮含量新品种提供了理论依据。

　　

在传统中医药理论中，林泽兰(Eupatorium lindleyanum)被认为具有化痰、止咳、平喘的功效，其药用价值主要归功于丰富的黄酮类化合物。现代药理学研究证实，该植物中含有的槲皮素(quercetin)、泽兰黄素(eupafolin)、木犀草素(luteolin)等活性成分具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等多种药理活性。然而，尽管黄酮类化合物的药用价值日益凸显，林泽兰中黄酮生物合成途径的关键酶基因及其调控机制却始终未被系统阐明，这严重制约了该药用植物的深度开发和利用。

以往研究表明，菊科植物黄酮生物合成途径存在显著的特异性。例如，菊花(Chrysanthemum indicum)中的黄酮合酶II(FNS II)被证实参与黄酮积累和应激反应，红花(Carthamus tinctorius)中特定的糖基转移酶负责黄酮苷的生物合成。这些发现提示，林泽兰作为菊科药用植物，其黄酮生物合成可能具有独特的调控特征。然而，由于缺乏系统的组学研究数据，研究人员难以精准识别关键基因和调控节点，也无法解析不同组织间黄酮成分差异形成的分子基础。

为了解决这一科学问题，王英哲等研究人员在《Scientific Reports》上发表了题为"Integrative metabolomic and transcriptomic analyses reveal flavonoid biosynthesis pathway in Eupatorium lindleyanum"的研究论文。该研究创新性地整合代谢组学和转录组学技术，系统分析了林泽兰根、茎、叶、花四种组织中黄酮类化合物的积累模式及其分子调控网络，为解析该药用植物活性成分生物合成机制提供了全面视角。

研究团队采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)和RNA测序(RNA-seq)技术，对来自江苏盱眙县自然栖息地的林泽兰四个组织样本进行综合分析。通过差异代谢物(DAMs)和差异表达基因(DEGs)的联合分析，结合KEGG通路富集和相关性网络构建，系统阐明了黄酮生物合成通路的关键环节。

研究首先通过代谢组学分析揭示了林泽兰不同组织中黄酮类化合物的分布特征。研究人员共鉴定出2770个代谢物，其中黄酮类化合物338个。主成分分析(PCA)显示，根、茎、叶、花四个组织的代谢物谱呈现明显分离，表明各组织具有独特的代谢特征。差异积累黄酮代谢物(DFMs)分析发现，共330个DFMs在组织间存在显著差异，其中花与根的比较组差异最大(301个DFMs)，而花与叶组的差异最小(222个DFMs)。

转录组分析共获得147,743个unigenes，其中53,610个基因在不同组织间差异表达。KEGG富集分析显示，这些差异表达基因显著富集于苯丙烷生物合成(ko00940)、黄酮生物合成(ko00941)等通路。特别值得注意的是，花与叶比较组中鉴定出24,654个DEGs，而花与根组高达37,090个DEGs，表明不同组织间基因表达模式存在显著差异。

通过整合分析，研究团队成功构建了林泽兰黄酮生物合成的核心通路网络。共鉴定出27个关键结构基因，分为四个功能组：第I组参与苯丙烷生物合成(PAL、4CL、C3H等)；第II组负责黄酮和黄酮醇合成(CHS、CHI、F3H、FLS等)；第III组参与异黄酮合成(HIDH、I2'H、VR)；第IV组调控花青素合成(ANS、DFR、AGT等)。这些基因的表达具有明显的组织特异性，如PAL、C4H等基因在根中高表达，而CHS、F3H在花中表达量最高。

研究还发现69个转录因子(TFs)可能参与黄酮合成的调控，包括AP2/ERF、NAC、WRKY、MYB和bHLH五个家族。相关性分析显示，这些转录因子与特定黄酮代谢物存在显著相关(|R|>0.8)。例如，7个AP2/ERF转录因子与槲皮素和花青素3-(6-p-咖啡酰)葡萄糖苷呈正相关，而23个bHLH转录因子与橙皮素、根皮素等代谢物密切相关。

通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)对10个候选基因进行验证，结果显示其表达模式与转录组数据高度一致，证实了测序结果的可靠性。这一发现为后续功能验证实验提供了坚实基础。

该研究的创新性在于首次通过多组学整合分析，系统揭示了林泽兰黄酮生物合成的分子调控网络。不仅鉴定了关键结构基因和调控因子，还解析了其组织特异性表达模式，为理解药用植物次生代谢物积累的调控机制提供了新视角。研究结果对通过代谢工程手段提高林泽兰药用价值、培育高黄酮含量新品种具有重要指导意义，同时也为其他药用植物的活性成分研究提供了可借鉴的方法学框架。

未来研究可进一步聚焦关键基因的功能验证，通过基因编辑、过表达等技术手段，精准调控黄酮生物合成通路，为开发高效、可持续的药用植物资源利用策略奠定理论基础。此外，解析环境因子对黄酮合成的调控机制，也将为优化栽培措施、提高活性成分含量提供科学依据。