利用多组学方法，揭示了不同栽培系统和开花阶段的三七花萜类化合物生物合成过程中的分子调控机制

《Industrial Crops and Products》：Unveiling the molecular regulations of terpenoid biosynthesis in Sanqi flowers across two cultivation systems and flowering stages using multiomics approaches

天麻花在Pinus armandii-Sanqi（PAS）与Pinus yunnanensis-Sanqi（PYS）两种林药系统中的挥发性有机物（VOCs）和非挥发性有机物（non-VOCs）组成差异显著，PAS系统下花品质更优，其核心特征为germacrene D含量最高，并富含gypenoside XVII、 IX及notoginsenoside Fd等活性成分。基因表达分析表明SQLE和GERD基因分别调控三萜类和非挥发性代谢物合成，且MYB61转录因子通过酵母双杂交实验证实与GERD基因存在互作关系。

　　### 解读：不同栽培系统对三七花挥发性与非挥发性萜类化合物的影响及其分子机制

三七（*Panax notoginseng*）作为一种传统中药材，其花朵在药用价值、香气成分及功能特性方面具有显著意义。三七花被广泛应用于清热解毒、促进肝脏健康、改善视力、促进体液分泌、缓解口渴等症状，同时在新型药物开发、茶饮、洗发水及食品添加剂等领域也有广泛应用。其挥发性有机化合物（VOCs）和非挥发性有机化合物（non-VOCs）不仅决定了三七花的气味特征，还与药效密切相关。近年来，随着对三七花研究的深入，人们逐渐认识到栽培方式对三七花品质的深远影响。本研究通过多组学分析（包括气相色谱-质谱分析、液相色谱-串联质谱分析及转录组分析），系统探讨了在*Pinus armandii*-三七（PAS）和*Pinus yunnanensis*-三七（PYS）两种林下种植系统中，三七花在不同开花阶段的VOCs与non-VOCs的组成差异及其分子机制。

#### VOCs的组成与栽培系统的关系

在本研究中，通过对三七花的挥发性成分进行分析，发现PAS系统和PYS系统中分别含有41种和42种挥发性有机化合物，其中大部分为倍半萜类化合物。特别值得注意的是，PAS系统中的三七花中，倍半萜类化合物**germacrene D**的浓度显著高于PYS系统。这一发现表明，PAS系统在促进倍半萜类化合物的合成方面具有明显优势。germacrene D作为一种重要的倍半萜类化合物，不仅具有调节植物防御反应、促进授粉、抗炎、降血压等生理功能，还在多种植物中展现出广泛的应用价值。例如，它在植物中被证明具有增强植物抗逆性的作用，而这些特性可能与PAS系统所营造的微环境密切相关。

此外，研究还发现，在PAS系统中，三七花在开花初期和盛开阶段分别有45种和49种差异表达的代谢物显著上调。这表明，栽培系统对三七花中VOCs的组成和含量具有显著影响，而开花阶段的作用相对较小。这一结果支持了研究者最初的假设，即三七花的挥发性成分主要受栽培系统影响，而非开花阶段本身。同时，这种差异性可能与PAS系统中独特的环境条件有关，例如更高的湿度、更适宜的光照条件以及与松树共生的微生物群落对代谢物合成的促进作用。

#### non-VOCs的组成与栽培系统的关系

非挥发性萜类化合物在三七花中占据主导地位，主要由三萜皂苷（84.415%）和三萜类化合物（15.585%）构成。研究发现，无论是PAS系统还是PYS系统，三七花中三萜皂苷的含量均高于三萜类化合物，且三萜皂苷的种类和含量在两种栽培系统中存在显著差异。在PAS系统中，三七花在开花初期和盛开阶段分别检测到7.40-至10.85倍和4.50-至3.82倍的三萜皂苷XVII、XVII、Fd、Rd和chikusetsusaponin-FK1的显著升高。这些化合物不仅具有重要的药理活性，如抗动脉硬化、骨质疏松、视网膜病变、癌症及帕金森病的治疗潜力，还被证实具有抗炎、镇痛、免疫增强等多重功能。

研究进一步指出，PAS系统中的三七花相较于PYS系统，在非挥发性萜类化合物的种类和含量上更为丰富。这一现象可能与PAS系统中特定的微生物群落有关。松树与三七的共生关系可能为三七提供了更丰富的代谢物合成途径，从而提升了其药用成分的积累。此外，环境因素如海拔、温度和湿度也被认为是影响非挥发性萜类化合物合成的重要变量。例如，在PAS系统中，三七花的非挥发性代谢物与海拔和湿度之间存在显著的正相关关系，而在PYS系统中，非挥发性代谢物则与温度关系更为密切。这表明，不同栽培系统下的三七花可能通过不同的生理机制来适应环境条件，从而影响其代谢物的合成和积累。

#### 萜类化合物合成的分子机制

研究通过转录组分析，揭示了三七花中萜类化合物合成的关键基因及其调控机制。在PAS系统中，基因*ACAT*、*MVD*、*ispF*、*ispG*、*SQLE*和*FDFT1*的表达水平显著高于PYS系统。这些基因在萜类化合物的合成过程中扮演着重要角色。例如，*ACAT*和*MVD*是MVA途径中的关键酶，分别催化乙酰辅酶A转化为乙酰乙酰辅酶A，以及异戊烯基焦磷酸（IPP）的合成。这些酶是三萜类化合物合成的必要前提，其表达水平的升高有助于三七花中三萜皂苷的积累。

此外，*SQLE*和*FDFT1*基因的表达水平在PAS系统中尤为显著。*SQLE*编码的酶能够催化角鲨烯的环氧化反应，生成2,3-环氧角鲨烯，这是三萜皂苷合成的重要中间产物。而*FDFT1*则编码一种合成法呢烯焦磷酸的酶，该酶在三萜类化合物的合成过程中起到关键作用。这些基因的高表达可能解释了PAS系统中三七花为何能够获得更高的三萜皂苷含量。

在倍半萜类化合物的合成中，*GERD*基因被发现直接调控germacrene D的生成。这一发现为理解三七花中倍半萜类化合物的合成机制提供了重要线索。通过酵母单杂交实验，研究还进一步验证了MYB61转录因子与*GERD*基因之间的相互作用。这一发现表明，MYB61可能通过调控*GERD*基因的表达，从而影响三七花中倍半萜类化合物的合成。这为未来进一步研究MYB家族转录因子与三萜类化合物合成之间的关系提供了新的方向。

#### 多组学整合分析与调控网络

研究通过整合代谢组与转录组数据，构建了三七花中萜类化合物合成的调控网络。这一网络显示，三萜类化合物的合成不仅受到特定基因的调控，还受到多种转录因子的共同影响。例如，AP2、FAR1和MYB等转录因子在萜类化合物合成中起着关键作用。AP2不仅调控植物生长，还参与萜类化合物的合成过程。FAR1则通过调控次生代谢物的合成间接影响萜类化合物的积累。而MYB家族转录因子，特别是MYB61，在三七花的萜类化合物合成中直接发挥作用。

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究进一步揭示了不同基因模块与三七花中萜类化合物合成之间的关系。其中，蓝模块和蓝绿色模块显示出与三七花中萜类化合物合成高度相关的基因表达模式。这些模块中的基因不仅涉及萜类化合物的合成途径，还与植物激素信号传导等生理过程相关。这一发现表明，三七花中萜类化合物的合成是一个高度协调的过程，涉及多个基因模块和调控网络。

#### 环境因素对代谢物合成的影响

研究还通过冗余分析（RDA）探讨了环境因素对三七花中VOCs和non-VOCs合成的影响。结果显示，VOCs的合成主要受到海拔和湿度的影响，而非VOCs则更倾向于与温度相关。这一现象可能与三七花在不同栽培系统中所处的微环境有关。例如，PAS系统由于位于较高的海拔地区，其湿度和光照条件更为适宜，从而促进了VOCs的合成。而PYS系统由于温度较高，可能更有利于非挥发性代谢物的积累。

此外，三七花中某些关键代谢物的合成可能受到环境压力的调控。例如，三七花中茉莉酸（JA）的浓度在PAS系统中显著升高，这可能与该系统中较高的湿度和降雨量有关。JA作为一种重要的植物防御激素，其浓度的增加可能意味着三七花在PAS系统中更易受到环境压力的影响，从而激活了其防御机制。同时，研究还发现，JA不仅影响开花过程，还参与花器官的发育和花期调控。这一发现进一步支持了PAS系统中三七花品质更高的假设。

#### 结论与展望

综上所述，本研究通过多组学手段，揭示了PAS系统和PYS系统对三七花中挥发性和非挥发性萜类化合物合成的显著影响。研究发现，PAS系统不仅能够显著提升三七花中主要代谢物的种类和含量，还能通过调控关键基因（如*SQLE*和*GERD*）以及转录因子（如MYB61）来优化萜类化合物的合成。此外，环境因素如海拔、湿度和温度在不同栽培系统中对三七花代谢物的合成具有重要作用，进一步支持了PAS系统在提升三七花品质方面的优势。

本研究不仅为三七花的栽培管理提供了科学依据，还为萜类化合物的进一步应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索MYB家族转录因子与*SQLE*基因之间的相互作用，以及不同栽培系统中微生物群落对代谢物合成的具体贡献。此外，还可以通过更精细的调控手段，如基因编辑或生物工程，来优化三七花的代谢物合成过程，从而提高其药用价值和市场竞争力。