吲哚-3-丙酸处理增强浮萍培养中有用代谢物的生长和生产：多组学整合分析揭示关键代谢通路调控机制

本研究为解决浮萍规模化培养中生物量和活性成分生产效率低下的问题，通过外源添加吲哚-3-丙酸(IPA)处理Lemna aequinoctialis培养体系，结合GC-MS代谢组学和RNA-seq转录组学技术，系统揭示了IPA通过调控甘油脂代谢、谷胱甘肽代谢等关键通路显著促进浮萍生长(干重提升2.3倍)并提高血清素(23.09 mg/L)和植物甾醇(β-谷甾醇25.59 mg/L)等活性成分产量的作用机制，为浮萍在食品、饲料和医药领域的产业化应用提供了新策略。

　　

在水生植物资源开发领域，浮萍(Lemna aequinoctialis)因其生长迅速、营养丰富且含有多种生物活性成分，被视为极具潜力的新型生物资源。这种小型漂浮植物不仅可作为高蛋白饲料原料，其含有的植物甾醇和血清素等成分更在医药和功能食品领域展现出重要价值。然而在实际生产中，浮萍培养面临着生物量积累缓慢、活性成分含量不稳定等瓶颈问题，严重制约了其产业化应用。传统植物生长调节剂如生长素类物质虽能促进植物生长，但对次级代谢产物的调控效果有限，且存在环境残留风险。因此，开发既能促进生长又能定向调控代谢产物合成的绿色诱导剂，成为浮萍资源化利用的关键科学问题。

韩国生物资源保藏中心(KCTC)的研究团队将目光投向了微生物源天然物质——吲哚-3-丙酸(IPA)。这种由梭菌等微生物产生的色氨酸代谢物，在动物研究中已显示出神经保护和抗氧化等生理活性，但在植物系统中的生物学效应研究甚少。前期研究表明IPA可能通过类似生长素的信号途径影响植物发育，但其对浮萍生长和代谢网络的系统调控作用尚属空白。为此，研究人员在《BMC Plant Biology》发表了创新性研究成果，首次通过多组学整合分析揭示了IPA处理对浮萍培养体系的全面影响。

研究采用GC-MS代谢组学分析结合RNA-seq转录组测序技术，对0.5-10 μM IPA处理28天的浮萍培养物进行系统检测。通过主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)解析代谢轮廓变化，利用Trinity软件进行de novo转录组组装，采用edgeR筛选差异表达基因(DEGs)，最后通过Metaboanalyst平台进行代谢-转录整合通路分析。绝对定量采用稳定同位素内标校正法，对血清素和植物甾醇等关键活性成分进行准确定量。

生长表型分析

10 μM IPA处理使浮萍干重产量显著提高至对照组的2.3倍，培养28天后生物量达到50.96 mg/L。时间进程监测显示生长促进效应从处理第7天开始显现，呈现剂量依赖性。这表明IPA能有效突破浮萍在常规培养中的生长限制，为大规模生产提供了基础。

代谢组学特征

GC-MS鉴定出55种代谢物发生显著变化。其中氨基酸代谢呈现两极分化：天冬氨酸(23.7倍)和谷氨酸(5.4倍)等显著增加，而γ-氨基丁酸(GABA)则下降33%。值得注意的是，色氨酸(4.3倍)及其衍生物血清素(1.4倍)的积累表明IPA可能激活了吲哚类物质合成通路。植物甾醇组分中，β-谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇分别增加1.8倍、2.3倍和2.0倍，这些膜结构成分的提升暗示细胞分裂活动增强。

转录组调控网络

7，490个差异表达基因中，甘油-3-磷酸酰基转移酶基因(GPAT4)上调2.6倍，与甘油-3-磷酸积累相呼应，共同推动膜脂合成。谷胱甘肽代谢关键酶6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶基因(PGD1)表达量提升13倍，支持氧化应激防御系统的激活。淀粉代谢相关基因β-淀粉酶1(BAM1)和β-淀粉酶(BMY1)均上调约8倍，解释了观察到的碳代谢流重组现象。

多组学整合通路

核心调控通路聚焦于五个方面：(1)甘油脂代谢中GPAT基因家族激活促进膜生物合成；(2)谷胱甘肽代谢通过PGD1过表达增强抗氧化能力；(3)β-丙氨酸代谢经由多胺氧化酶(PAO1)上调支持次生代谢；(4)天冬氨酸-谷氨酸代谢轴驱动氮素高效利用；(5)淀粉-蔗糖代谢相关水解酶基因表达重塑碳分配格局。这些通路协同作用，构成了IPA促进浮萍生长和代谢产物积累的分子基础。

活性成分生产优化

绝对定量结果显示，10 μM IPA处理组中血清素产量达23.09 mg/L，较对照提高121%；三种植物甾醇总产量达96.04 mg/L，其中豆甾醇占53%。方法学验证显示，尽管血清素存在基质效应(164.45%)，但经内标校正后准确度保持在98.3-102.7%，证实数据可靠性。这表明IPA处理不仅能增加生物量，还能定向提升高值化成分含量。

这项研究首次系统阐明了IPA作为多功能诱导剂在浮萍培养中的双重作用机制：既通过激活GPAT等膜合成基因促进细胞增殖，又通过重组碳氮代谢流向特定次级代谢产物合成。从应用角度看，该研究建立了无需基因改造的浮萍提质增效培养方案，10 μM IPA处理即可实现生物量与活性成分的同步提升，且IPA作为微生物天然产物具有环境友好特性。从科学价值看，研究揭示了IPA跨界调控植物代谢的新功能，为植物生长-代谢耦合调控提供了理论模型。未来研究可进一步解析浮萍中IPA受体蛋白，并探索与其他诱导剂的协同效应，为水生植物资源的高效利用开辟新途径。