白鲜根发育转录组与代谢组分析揭示喹啉生物碱和柠檬苦素类化合物合成关键基因

　　本研究通过整合转录组与代谢组分析，系统解析了药用植物白鲜(Dictamnus dasycarpus)主根发育过程中喹啉生物碱(quinoline alkaloids)和柠檬苦素类化合物(limonoids)的动态积累规律。研究人员发现4年生长期为活性成分积累关键期，鉴定出HAC1、NAGS1/2等乙酰转移酶及CYP450s、2-ODDs等关键酶基因，揭示了糖酵解/糖异生(ko00010)和萜类骨架生物合成(ko00900)等代谢通路的核心调控作用，为白鲜规范化种植和采收提供了分子理论基础。

　　

在传统中医药宝库中，白鲜(Dictamnus dasycarpus Turcz.)犹如一颗璀璨明珠，其根皮作为"白鲜皮"被收录于《中国药典》，以清热燥湿、祛风解毒之功效闻名于世。这种芸香科植物蕴含的药用奥秘，主要源于两类关键活性成分——喹啉生物碱(quinoline alkaloids)和柠檬苦素类化合物(limonoids)。它们如同植物的化学卫士，不仅帮助白鲜抵御自然界中的病虫害，更在人类疾病治疗中展现出抗菌、抗炎、抗肿瘤等多重药理活性。

然而令人困扰的是，这些珍贵成分的积累规律始终笼罩在迷雾之中。药农们世代相传的采收经验虽有一定指导价值，但缺乏科学依据的支撑。究竟白鲜生长到第几年时活性成分达到峰值？哪些基因掌控着这些复杂化合物的生物合成途径？这些问题不仅关系到药材质量的精准控制，更直接影响着种植效益和临床疗效的稳定性。

为揭开这一谜团，来自辽宁中医药大学的研究团队将目光投向了白鲜的主根发育过程。他们深知，主根作为主要的药用部位，其内部正上演着一场精彩纷呈的分子交响：数以百计的酶基因协同演奏，通过错综复杂的代谢通路网络，最终谱写出活性成分积累的生命乐章。通过整合转录组与代谢组这两大现代组学技术，研究人员首次系统揭示了白鲜主根在2年、4年和6年生长期的关键变化规律，相关成果正式发表于《BMC Plant Biology》期刊。

研究团队运用多组学联用技术策略：通过UPLC-Q-TOF-MS/MS代谢组学技术检测不同生长年限白鲜主根中次生代谢物的动态变化，结合石蜡切片显微观察形态结构特征；采用Illumina novaseqXplus平台进行转录组测序，对98,788条unigenes进行功能注释；通过RT-qPCR对筛选出的关键基因进行表达验证；利用KEGG和GO数据库进行通路富集分析，构建喹啉生物碱和柠檬苦素类化合物的生物合成网络。

生长性能与形态结构变化

研究发现白鲜主根的生长发育存在明显阶段性特征。如图1所示，从2年生到6年生，主根长度持续显著增加，而直径增长主要发生在2-4年生长期，4-6年生长期则保持稳定。侧根数量在4年生时达到峰值。石蜡切片显示，韧皮部薄壁细胞中的草酸钙簇晶在4年生时分布最密集，2年生时几乎观察不到，6年生时有所减少。这些形态学指标表明4年生长期是白鲜主根发育和活性成分积累的关键阶段。

次生代谢物积累规律

代谢组学分析鉴定出51种(2年生)、48种(4年生)和50种(6年生)次生代谢物，涵盖生物碱、柠檬苦素类、倍半萜、内酯等11大类化合物(图2A)。定量分析显示总生物碱和总柠檬苦素类含量在2-4年生期间显著增加，而在4-6年生期间无显著差异(图2B)，表明活性成分积累主要发生在2-4年生长期。PCA分析证实数据具有良好的重复性和可靠性(图2C)。通过OPLS-DA和火山图分析，在2-4年生比较组中鉴定出20个差异积累代谢物(DAMs)，其中包含6种生物碱和8种柠檬苦素类化合物；在4-6年生比较组中发现16个DAMs，包括6种生物碱和5种柠檬苦素类化合物(图2D,E)。

转录组测序与差异表达基因分析

转录组测序共获得69.72 Gb高质量数据，组装得到98,788条unigenes，N50为2248 bp，平均长度1575 bp。PCA分析显示三个生长年限的样本明显分离(图3A)，样本间相关性分析表明组内重复性高而组间差异显著(图3B)。差异表达分析发现2-4年生比较组存在20,262个上调基因和23,158个下调基因(图3C)。KEGG富集分析显示差异基因主要富集在"代谢途径"和"次生代谢物生物合成"通路(图3D)。GO分类表明这些基因主要参与"细胞过程"、"代谢过程"等生物过程，以及"结合"、"催化活性"等分子功能。

喹啉生物碱生物合成关键基因

研究揭示了喹啉生物碱生物合成的分子机制。4-甲氧基-2(1H)-喹啉酮(4-methoxy-2(1H)-quinolinone)作为关键前体，其合成涉及三条代谢通路：糖酵解/糖异生(ko00010)(受219个基因调控)、苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成(受87个基因调控)和色氨酸代谢(ko00380)(受77个基因调控)。通过系统发育树分析，鉴定出HAC1、NAGS1和NAGS2三个关键乙酰转移酶，负责催化4-甲氧基-2(1H)-喹啉酮的形成。后续通过甲基转移酶、异构酶和CYP450s等酶的修饰，生成白鲜碱(dictamnine)、茵芋碱(skimmianine)等喹啉生物碱。共筛选出133个与喹啉生物碱生物合成相关的候选基因。

柠檬苦素类化合物生物合成关键基因

柠檬苦素类化合物的生物合成以2,3-氧化鲨烯(2,3-oxidosqualene)为共同前体，涉及MVA(甲羟戊酸)和MEP(甲基赤藓醇磷酸)两条通路。研究发现25个关键酶(受62个基因调控)参与萜类骨架生物合成(ko00900)和倍半萜/三萜生物合成(ko00909)。通过系统发育分析，鉴定出与柑橘中CsCYP716AC1、CsCYP716AD2高度同源的脱落酸8'-羟化酶(abscisic acid 8'-hydroxylase)，与CsCYP88A37、CsCYP88A51高度同源的β-香树脂醇11-氧化酶(beta-amyrin 11-oxidase)，以及参与呋喃环形成的柠檬苦素呋喃合酶(LFS)。同时筛选出56个与柠檬苦素类生物合成相关的候选基因。

DAMs与DEGs关联分析

通过代谢组与转录组数据的相关性分析，发现79个关键基因与喹啉生物碱积累高度相关(P<0.05，Pearson相关系数>0.8)，25个基因与柠檬苦素类化合物积累显著相关。RT-qPCR验证结果显示10个生物碱相关基因和10个柠檬苦素相关基因的表达模式与转录组数据高度一致(图4)，证实了组学数据的可靠性。

本研究通过多组学整合分析，系统阐明白鲜主根发育过程中活性成分积累的分子调控网络。发现4年生长期为喹啉生物碱和柠檬苦素类化合物积累的关键阶段，这一过程受到草酸钙簇晶密度和主根直径变化的显著影响。研究鉴定出HAC1、NAGS1/2等乙酰转移酶基因，以及CYP450s、2-ODDs(2-氧戊二酸依赖型双加氧酶)、异构酶和甲基转移酶等多个关键酶基因，这些基因通过调控糖酵解/糖异生、萜类骨架生物合成和色氨酸代谢等通路，共同主导活性成分的生物合成。

该研究的重要意义在于首次绘制了白鲜主要药用成分的生物合成路径图谱，为分子辅助育种提供了靶点基因，为确定最佳采收期提供了科学依据。通过调控关键基因表达，有望实现白鲜活性成分的定向富集，提升药材质量和种植效益。这些发现不仅对白鲜的人工栽培和资源开发利用具有重要指导价值，也为其他药用植物的次生代谢研究提供了可借鉴的方法学范式。