基于转录组与代谢组联合分析揭示樟树黄酮类化合物生物合成的关键基因与调控通路

《BMC Genomic Data》：Integration of transcriptome and metabolome analysis reveals the genes and pathways regulating flavonoids biosynthesis in Cinnamomum camphora

为解决樟树（Cinnamomum camphora）中黄酮类化合物组织分布规律及合成调控机制不清的问题，研究人员开展了多组学联合分析。该研究通过整合转录组与代谢组数据，系统揭示了樟树不同组织（叶、茎、根）中黄酮类代谢物的积累谱，并鉴定出Cc4CL_1、Cc4CL_9、CcPAL_1等关键结构基因以及MYB、bHLH等转录因子，构建了其调控网络。该研究为樟树黄酮类化合物的生物合成途径提供了分子基础，并为后续代谢工程改良奠定了理论基础。

　　

樟树（Cinnamomum camphora）是一种广泛分布于中国南方的常绿乔木，在民间医药中应用历史悠久。其含有的挥发油、黄酮类、木脂素等成分赋予了其多种生物活性。然而，与备受关注的挥发油相比，樟树中黄酮类化合物的研究相对较少。黄酮类化合物以其强大的抗氧化、抗炎、抗肿瘤等药理活性而闻名，在樟树叶中已发现芦丁（Rutin）、槲皮素（Quercetin）等多种黄酮苷元。尽管这些成分具有重要的药用价值，但它们在樟树不同组织中的分布规律、生物合成途径及其背后的分子调控机制尚不明确，这限制了对其药用价值的深入开发和利用。

为了填补这一知识空白，Huang等人于2025年在《BMC Genomic Data》上发表了一项研究，通过整合转录组和代谢组学分析，系统揭示了樟树黄酮类化合物生物合成的关键基因和调控通路。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项多组学联合分析研究。他们首先收集了樟树的叶、茎、根组织样本，并进行了非靶向代谢组学分析，以全面鉴定和定量不同组织中的代谢物。同时，利用转录组测序技术，分析了这些组织中基因的表达谱。通过将代谢物积累谱与基因表达谱进行关联分析，研究人员成功筛选出与黄酮类化合物合成密切相关的关键结构基因和转录因子，并构建了其调控网络。最后，通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）和超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用（UPLC-QQQ-MS/MS）技术对关键基因的表达模式和主要代谢物（芦丁）的含量进行了验证，确保了研究结果的可靠性。

主要关键技术方法

本研究主要采用了多组学联合分析策略。研究人员首先采集了樟树的叶、茎、根组织样本（样本来源为江西吉安宇丰天然物种有限公司），随后利用超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS/MS）技术进行非靶向代谢组学分析，鉴定并比较了不同组织间的差异代谢物。同时，通过转录组测序（RNA-Seq）技术，分析了各组织的基因表达谱，并筛选了差异表达基因。通过皮尔逊相关性分析，构建了基因与代谢物之间的调控网络。最后，利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）和超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用（UPLC-QQQ-MS/MS）技术对关键基因的表达和代谢物含量进行了验证。

Metabolomic database construction via untargeted metabolomics in C.camphora

研究人员首先通过非靶向代谢组学技术，对樟树叶、茎、根三个组织进行了代谢物分析。结果显示，共鉴定出2893个代谢物信号，其中次生代谢物占41.93%，是樟树代谢物的主要组成部分。在次生代谢物中，黄酮类化合物占比最高（28%），其次是萜类（27%）和酚酸（12%）。主成分分析（PCA）显示，不同组织的样本能够清晰地分开，表明组织间存在显著的代谢物差异。这些结果为后续分析樟树黄酮类化合物的组织特异性积累提供了基础。

Differentially abundant metabolites analysis and KEGG pathway enrichment analysis

为了进一步明确组织间的代谢差异，研究人员进行了差异代谢物（DAMs）分析。结果显示，在叶与根、茎与根、叶与茎的比较中，均鉴定出大量的差异代谢物。KEGG通路富集分析发现，这些差异代谢物显著富集在苯丙烷生物合成（Phenylpropanoid biosynthesis）、黄酮类生物合成（Flavonoid biosynthesis）和异黄酮生物合成（Isoflavonoid biosynthesis）等通路中。具体到黄酮类化合物，研究人员发现芦丁（Rutin）、槲皮素3-O-α-L-鼠李糖苷（Quercetin 3-o-alpha-l-rhamnoside）和槲皮素（Quercetin）等主要富集在叶和茎中，而2-羟基异黄酮柚皮素（2-hydroxyisoflavanone naringenin）、漆黄素（Fustin）和儿茶素（Catechin）等则主要富集在根中。这表明樟树不同组织具有不同的黄酮类化合物积累模式。

Identification of DEGs related to flavonoid biosynthesis

为了从基因层面揭示黄酮类化合物积累差异的原因，研究人员进行了转录组测序。结果显示，在叶与根的比较中，差异表达基因（DEGs）数量最多。KEGG富集分析同样显示，这些差异表达基因显著富集在苯丙烷和黄酮类生物合成通路中。研究人员进一步鉴定了30个与黄酮生物合成相关的差异表达基因，包括PAL、C4H、4CL、CHS、F3H、F3'H、FLS、ANR等关键酶基因。值得注意的是，大多数这些基因在根和茎中的表达量高于叶，这与代谢物在叶中高积累的模式不一致，提示黄酮类化合物的生物合成可能主要发生在根和茎中，随后被转运至叶中储存。

Integration of the transcriptome and metabolome related to flavonoid biosynthesis

为了建立基因与代谢物之间的直接联系，研究人员进行了转录组与代谢组的关联分析。结果显示，14个结构基因与13种黄酮类代谢物的积累显著相关。例如，芦丁的积累与Cc4CL_9和Cc4CL_1的表达呈正相关；槲皮素与Cc4CL_1和CcCHS_1呈正相关，但与CcC4H_1呈负相关；根中富集的2-羟基异黄酮柚皮素与CcPAL_1和Cc4CL_8呈正相关；漆黄素与CcPAL_1和CcC4H_2呈正相关；儿茶素与CcCHS_1呈正相关。这些结果表明，PAL、4CL和CHS等基因在樟树主要黄酮类化合物的积累中扮演着关键角色。

Mining of transcription factors involved in flavonoid

黄酮类代谢的调控很大程度上受转录因子的影响。研究人员在樟树中鉴定出3035个转录因子，其中775个在至少一个比较组中差异表达。MYB家族是数量最多的转录因子家族，其次是AP2/ERF和bHLH家族。通过相关性分析，研究人员发现多个MYB和bHLH家族的转录因子与上述关键结构基因的表达显著相关。例如，6个CcbHLHs和4个CcMYBs与Cc4CL_1和Cc4CL_9呈正相关，提示它们可能正向调控芦丁的生物合成；而14个CcbHLHs和6个CcMYBs与CcC4H_1呈负相关，表明它们可能负向调控芦丁的合成。这些发现揭示了MYB和bHLH转录因子在樟树黄酮类生物合成调控网络中的核心作用。

Validation of the expression patterns of screened DEGs by qRT-PCR

为了验证转录组测序结果的准确性，研究人员选取了12个与黄酮生物合成相关的差异表达基因，利用qRT-PCR技术检测了它们在叶、茎、根中的表达水平。结果显示，qRT-PCR检测到的基因表达模式与转录组测序（FPKM值）得到的表达模式高度一致，证实了转录组数据的可靠性。

Validation of the accumulation pattern of rutin in camphor trees by UPLC-QQQ-MS/MS

为了验证代谢组学分析中芦丁的组织分布规律，研究人员利用UPLC-QQQ-MS/MS技术对樟树叶、茎、根中的芦丁含量进行了准确定量。结果显示，芦丁在叶中的含量最高，其次是茎，在根中含量最低，这一结果与非靶向代谢组学的发现完全一致，进一步证实了芦丁在樟树叶和茎中高积累的组织特异性。

研究结论与讨论

本研究通过整合转录组与代谢组学分析，首次系统阐明了樟树黄酮类化合物生物合成的空间调控机制。研究揭示了樟树不同组织具有独特的黄酮类代谢物积累谱：芦丁作为最主要的代谢物，在叶和茎中显著富集；而根则主要积累2-羟基异黄酮柚皮素、漆黄素和儿茶素等。转录组分析鉴定出Cc4CL_1和Cc4CL_9是芦丁生物合成的关键正调控基因，而CcC4H_1则表现出强烈的负调控作用。此外，研究还发现槲皮素的积累与CcCHS_1相关，柚皮素与CcPAL_1和Cc4CL_8相关，儿茶素与CcCHS_1相关。更重要的是，研究人员鉴定出多个MYB和bHLH家族的转录因子，它们与这些关键结构基因共表达，共同构成了一个复杂的调控网络，精细调控着樟树黄酮类化合物的生物合成。

该研究不仅为樟树黄酮类化合物的生物合成途径提供了详尽的分子图谱，还鉴定了一系列潜在的关键调控基因和转录因子。这些发现为未来通过代谢工程手段提高樟树中芦丁等具有重要药用价值的黄酮类化合物的产量奠定了坚实的理论基础，具有重要的科学意义和应用前景。