多组学分析揭示乌头属植物Aconitum japonicum中二萜生物碱的组织特异性生物合成与积累

《Journal of Natural Medicines》：Multi-omics analysis reveals tissue-specific biosynthesis and accumulation of diterpene alkaloids in Aconitum japonicum

本研究通过多组学分析，聚焦于Aconitum japonicum中二萜生物碱的生物合成途径，揭示其组织特异性积累模式，为药用植物次生代谢研究提供重要资源

　　乌头属植物Aconitum japonicum因其显著的药用价值而备受关注，但其二萜生物碱的完整生物合成途径尚未明确。本研究利用高通量代谢组和转录组分析，对Aconitum japonicum的叶、母根、子根和根须四种组织进行综合研究，通过整合多组学数据，揭示了与二萜生物碱生物合成相关的基因表达模式和代谢物谱，发现了潜在的调控网络和关键候选基因，为深入理解Aconitum japonicum中二萜生物碱的生产机制提供了重要依据。

研究背景

Aconitum japonicum是一种原产于日本山区的有毒多年生植物，因其在传统医学中的药用潜力而被广泛认知。其根茎在汉方医学中被用于治疗多种疾病，如排尿困难、神经痛、痛风等。然而，Aconitum植物的神经毒性和心脏毒性也使其在使用上受到限制。尽管如此，其主要药用成分——二萜生物碱（diterpene alkaloids），尤其是C19型二萜生物碱（如乌头碱aconitine、美沙乌头碱mesaconitine等），因其显著的药理作用而备受关注。然而，除了其前体分子atisine的生物合成外，Aconitum属植物中二萜生物碱的完整生物合成途径仍然未知。

研究方法

研究人员从Aconitum japonicum的叶、母根、子根和根须四种组织中提取样本，进行代谢组和转录组分析。代谢组分析采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用技术（UPLC–QTOF–MS），检测并注释了2,045个质量特征。转录组分析则通过Illumina HiSeq? 2000平台进行高通量测序，获得了129,760个转录本，平均长度为600.71 bp。通过整合代谢组和转录组数据，研究人员利用皮尔逊相关性分析等方法，揭示了基因表达与代谢物积累之间的关联。

研究结果

1. 代谢物的组织特异性积累
   • 通过代谢组分析，研究人员发现Aconitum japonicum不同组织中代谢物的分布存在显著差异。在四种组织中，共鉴定出51种二萜生物碱，其中40种属于C19型。这些生物碱主要在母根中积累，与Aconitum植物的药用价值密切相关。此外，C20型二萜生物碱主要在子根中积累，可能作为C19型和C18型生物碱的前体。
   • 代谢物的组织特异性积累表明，不同组织可能具有不同的生物合成和运输机制，这对于理解Aconitum植物的次生代谢具有重要意义。
2. 转录组分析与基因表达
   • 转录组分析显示，Aconitum japonicum的四种组织中共有129,760个转录本，其中55,560个在所有组织中均有表达，而其他转录本则表现出组织特异性。母根和子根作为药用价值最高的组织，共享了88,480个转录本。
   • 通过KEGG通路富集分析，研究人员发现与二萜生物碱生物合成相关的途径（如甲羟戊酸途径MVA和甲基赤藓醇磷酸途径MEP）在母根和子根中显著富集。这表明这些组织在二萜生物碱的生物合成中可能发挥关键作用。
3. 候选基因的鉴定与功能预测
   • 研究人员通过整合代谢组和转录组数据，鉴定出与二萜生物碱生物合成相关的候选基因。特别是细胞色素P450（CYP450）家族的基因，因其在二萜生物碱生物合成中的潜在作用而受到关注。通过系统发育分析，研究人员发现Aconitum japonicum中的17个CYP450基因与已知功能的CYP450基因聚类，暗示它们可能参与二萜生物碱的生物合成和多样化。
   • 例如，TR39654|c0_g1_i1基因与参与二萜生物碱生物合成的CYP76家族聚类，可能是催化atisene形成atisenol的关键基因。

研究结论与讨论

本研究通过多组学分析，揭示了Aconitum japonicum中二萜生物碱的组织特异性生物合成和积累模式，鉴定了一系列与二萜生物碱生物合成相关的候选基因。这些发现不仅为深入理解Aconitum植物的次生代谢机制提供了重要依据，而且为未来通过基因工程或代谢工程提高药用成分产量提供了可能的靶点。此外，本研究建立的高质量代谢组和转录组资源，将为Aconitum属植物的功能基因组学和代谢工程研究提供宝贵的平台。