玉米根系分泌物通过调控关键基因表达促进苍术倍半萜类挥发油合成的机制研究

本研究针对间作如何提升药用植物活性成分这一关键问题，聚焦苍术-玉米间作系统。研究人员通过田间根障实验和盆栽验证，发现玉米根系分泌物中的黄酮类信号物质（如芒柄花素、异甘草素等）能显著上调苍术根茎中倍半萜合成关键基因（HMGR、DXS、FPS等）的表达，从而促进其挥发油（如β-桉叶醇、苍术素）含量倍增。该成果为阐释种间根际互作提升药材品质的分子机制提供了新视角，对发展生态种植具有重要意义。

　　

在农业生产中，间作是一种常见的生态种植模式，它往往能提高生态系统的生产力。然而，这种生物多样性带来的益处是否同样适用于药用植物，特别是能否有效提升决定药材质量的次生代谢产物含量，长期以来缺乏深入的研究报道。苍术（Atractylodes lancea (Thunb.) DC.）是一种具有重要经济价值和临床意义的中药材，其挥发油成分（如β-桉叶醇、苍术素等）被认为是衡量其药效品质的关键指标。前期研究表明，将苍术与玉米（Zea mays L.）进行间作，不仅能降低病害发生率、提高苍术产量，还能显著促进其挥发油的积累。但隐藏在产量和品质提升背后的“对话”机制——即苍术与玉米在地下根际是如何相互影响、信号如何传递——仍是一个有待揭开的谜团。研究人员推测，植物的“语言”可能就藏在它们的根系分泌物中，这些化学信号分子是介导植物间竞争与合作的关键媒介。为了验证这一假说，来自中国中医科学院的研究团队开展了一项为期两年的深入研究，其成果发表在《Industrial Crops and Products》上，系统揭示了种间根际相互作用通过根系分泌物增强苍术次生代谢合成的新机制。

为开展本研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法。他们设计了精细的田间根障实验，设置了苍术单作、间作无隔离、尼龙网隔离（允许水分、养分、根系分泌物及部分微生物交换）和塑料膜隔离（完全阻隔根系交流）等多种处理，以区分地下相互作用的贡献。通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术对根际土壤中的黄酮类化合物进行了定性与定量分析。利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术精确测定了苍术根茎中四种关键倍半萜类挥发油的含量。此外，研究还通过转录组测序（RNA-Seq）技术，对比分析了不同处理下苍术根茎的基因表达谱，并进行了GO功能富集和KEGG通路分析，以从分子水平阐释代谢变化的调控网络。

3.1. 间作有利于苍术的生长

研究发现，与苍术单作（A）相比，苍术与玉米无屏障间作（AI）能显著增加苍术的分枝数、不定根重量和根茎重量。其中，AI处理的不定根重量比单作处理高出1.3倍，根茎重量也显著增加。值得注意的是，采用尼龙网隔离的间作（AN）处理，其促进效果与无屏障间作相似，而采用塑料膜完全隔离的间作（AP）处理则效果不显，这表明地下部分的物质交换，特别是根系分泌物的交流，是间作产生促进作用的关键因素。

3.2. 间作有利于苍术挥发油的积累

挥发油含量是评价苍术质量的核心指标。研究结果显示，间作处理（AI和AN）能极显著地提升苍术根茎中四种代表性倍半萜挥发油（茅术醇、β-桉叶醇、苍术酮和苍术素）的含量。与单作相比，AI处理的总挥发油含量增加了1.8倍以上，其中β-桉叶醇和苍术素的含量分别增加了1.3倍和8.8倍。同样，AN处理也表现出类似的促进效应，而AP处理的提升效果则非常有限，进一步印证了根系分泌物在促进次生代谢物积累中的核心作用。

3.3. 潜在的六种黄酮类根系分泌物信号物质

通过对根际代谢物的分析，研究人员成功鉴定出六种在不同间作处理下存在显著差异的黄酮类化合物：异甘草素（isoliquiritigenin）、芒柄花素（formononetin）、毛蕊异黄酮（calycosin）、柚皮素（naringenin）、橙皮素（hesperetin）和柚皮苷（naringin）。在尼龙网隔离（AN）条件下，玉米根际的柚皮素、异甘草素和毛蕊异黄酮含量显著高于单作。相反，间作降低了苍术根际中五种黄酮类化合物的水平，暗示这些物质可能从玉米根系分泌并作用于苍术。

3.4. 验证六种黄酮类化合物对苍术生长和挥发油积累的作用

为了直接验证这些黄酮类物质的功能，研究人员将其分别添加到盆栽苍术的根际。结果发现，异甘草素、芒柄花素和毛蕊异黄酮这三种异黄酮类化合物能显著促进苍术挥发油的积累。例如，异甘草素处理使苍术中的β-桉叶醇含量达到对照组的2.42倍。这些结果证实了从玉米根系分泌物中鉴定出的特定黄酮类化合物确实是能够激发苍术次生代谢响应的关键信号分子。

3.5. 不同间作处理下苍术根茎的转录组分析

转录组分析为现象提供了分子层面的解释。差异表达基因（DEGs）分析显示，AI vs A（间作无屏障 vs 单作）以及AI vs AP（间作无屏障 vs 间作塑料膜隔离）的比较组中，差异表达基因数量最多。KEGG通路富集分析表明，这些差异基因显著富集在萜类骨架生物合成、单萜生物合成以及苯丙烷生物合成等通路上。进一步对苍术倍半萜合成通路中的关键酶基因进行聚类分析和表达量考察发现，在允许根系分泌物交换的AI和AN处理下，甲羟戊酸（MVA）途径中的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGS）和还原酶（HMGR）基因，以及甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径中的1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）和还原酶（DXR）基因的表达均被显著上调。特别是法尼基焦磷酸合酶（FPS）基因AlFPS_1在AI和AN处理中高表达，表明它可能是响应根际互作、调控倍半萜合成的关键基因。

归纳研究结论和讨论部分，本研究清晰地表明，在苍术-玉米间作系统中，玉米的根系分泌物是提升苍术产量和品质的“信使”。其中，特定的黄酮类化合物（如芒柄花素、异甘草素和毛蕊异黄酮）作为关键的信号分子，被苍术根系感知后，能够激活其体内倍半萜类挥发油合成的代谢通路。这一激活过程体现在关键合成酶基因（如HMGS, HMGR, DXS, DXR, FPS）的表达上调，最终驱动了茅术醇、β-桉叶醇、苍术酮和苍术素等活性成分的显著积累。该研究首次从根系分泌物信号传导的角度，系统阐明了间作提升苍术药材品质的分子生理机制，将植物间的“地下对话”与药材次生代谢产物的合成直接联系起来。这不仅深化了对种间互作机理的理解，也为利用生态种植模式定向调控药用植物活性成分、生产优质中药材提供了坚实的理论依据和创新思路。