整合代謝組與轉錄組揭示林澤蘭黃酮類化合物生物合成通路及其調控網絡

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

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Scientific Reports 3.9

　　

在傳統中醫藥理論中，林澤蘭(Eupatorium lindleyanum)被認為具有化痰、止咳、平喘的功效，其藥用價值主要歸功于豐富的黃酮類化合物。現代藥理學研究證實，該植物中含有的槲皮素(quercetin)、澤蘭黃素(eupafolin)、木犀草素(luteolin)等活性成分具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤等多種藥理活性。然而，盡管黃酮類化合物的藥用價值日益凸顯，林澤蘭中黃酮生物合成途徑的關鍵酶基因及其調控機制卻始終未被系統闡明，這嚴重制約了該藥用植物的深度開發和利用。

以往研究表明，菊科植物黃酮生物合成途徑存在顯著的特異性。例如，菊花(Chrysanthemum indicum)中的黃酮合酶II(FNS II)被證實參與黃酮積累和應激反應，紅花(Carthamus tinctorius)中特定的糖基轉移酶負責黃酮苷的生物合成。這些發現提示，林澤蘭作為菊科藥用植物，其黃酮生物合成可能具有獨特的調控特征。然而，由于缺乏系統的組學研究數據，研究人員難以精準識別關鍵基因和調控節點，也無法解析不同組織間黃酮成分差異形成的分子基礎。

為了解決這一科學問題，王英哲等研究人員在《Scientific Reports》上發表了題為"Integrative metabolomic and transcriptomic analyses reveal flavonoid biosynthesis pathway in Eupatorium lindleyanum"的研究論文。該研究創新性地整合代謝組學和轉錄組學技術，系統分析了林澤蘭根、莖、葉、花四種組織中黃酮類化合物的積累模式及其分子調控網絡，為解析該藥用植物活性成分生物合成機制提供了全面視角。

研究團隊采用超高效液相色譜-串聯質譜(UPLC-MS/MS)和RNA測序(RNA-seq)技術，對來自江蘇盱眙縣自然棲息地的林澤蘭四個組織樣本進行綜合分析。通過差異代謝物(DAMs)和差異表達基因(DEGs)的聯合分析，結合KEGG通路富集和相關性網絡構建，系統闡明了黃酮生物合成通路的關鍵環節。

研究首先通過代謝組學分析揭示了林澤蘭不同組織中黃酮類化合物的分布特征。研究人員共鑒定出2770個代謝物，其中黃酮類化合物338個。主成分分析(PCA)顯示，根、莖、葉、花四個組織的代謝物譜呈現明顯分離，表明各組織具有獨特的代謝特征。差異積累黃酮代謝物(DFMs)分析發現，共330個DFMs在組織間存在顯著差異，其中花與根的比較組差異最大(301個DFMs)，而花與葉組的差異最小(222個DFMs)。

轉錄組分析共獲得147,743個unigenes，其中53,610個基因在不同組織間差異表達。KEGG富集分析顯示，這些差異表達基因顯著富集于苯丙烷生物合成(ko00940)、黃酮生物合成(ko00941)等通路。特別值得注意的是，花與葉比較組中鑒定出24,654個DEGs，而花與根組高達37,090個DEGs，表明不同組織間基因表達模式存在顯著差異。

通過整合分析，研究團隊成功構建了林澤蘭黃酮生物合成的核心通路網絡。共鑒定出27個關鍵結構基因，分為四個功能組：第I組參與苯丙烷生物合成(PAL、4CL、C3H等)；第II組負責黃酮和黃酮醇合成(CHS、CHI、F3H、FLS等)；第III組參與異黃酮合成(HIDH、I2'H、VR)；第IV組調控花青素合成(ANS、DFR、AGT等)。這些基因的表達具有明顯的組織特異性，如PAL、C4H等基因在根中高表達，而CHS、F3H在花中表達量最高。

研究還發現69個轉錄因子(TFs)可能參與黃酮合成的調控，包括AP2/ERF、NAC、WRKY、MYB和bHLH五個家族。相關性分析顯示，這些轉錄因子與特定黃酮代謝物存在顯著相關(|R|>0.8)。例如，7個AP2/ERF轉錄因子與槲皮素和花青素3-(6-p-咖啡酰)葡萄糖苷呈正相關，而23個bHLH轉錄因子與橙皮素、根皮素等代謝物密切相關。

通過實時熒光定量PCR(qRT-PCR)對10個候選基因進行驗證，結果顯示其表達模式與轉錄組數據高度一致，證實了測序結果的可靠性。這一發現為后續功能驗證實驗提供了堅實基礎。

該研究的創新性在于首次通過多組學整合分析，系統揭示了林澤蘭黃酮生物合成的分子調控網絡。不僅鑒定了關鍵結構基因和調控因子，還解析了其組織特異性表達模式，為理解藥用植物次生代謝物積累的調控機制提供了新視角。研究結果對通過代謝工程手段提高林澤蘭藥用價值、培育高黃酮含量新品種具有重要指導意義，同時也為其他藥用植物的活性成分研究提供了可借鑒的方法學框架。

未來研究可進一步聚焦關鍵基因的功能驗證，通過基因編輯、過表達等技術手段，精準調控黃酮生物合成通路，為開發高效、可持續的藥用植物資源利用策略奠定理論基礎。此外，解析環境因子對黃酮合成的調控機制，也將為優化栽培措施、提高活性成分含量提供科學依據。