靶向代谢组学揭示了大麻品种中大麻素和萜类化合物生物合成背后的代谢流及其调控机制

《Plant Physiology and Biochemistry》：Targeted Metabolomics Reveals Metabolic Flux and Regulatory Mechanisms Underlying Cannabinoid and Terpene Biosynthesis in Cannabis Accessions

本研究系统分析了两个大麻品种（CAN1和CAN2）在 controlled environmental conditions 下不同发育阶段的次生代谢动态，发现品种间大麻酚类（CBD/THC/CBC）及萜烯类代谢物存在显著差异，CAN1在成熟期（S4-S6）总大麻酚含量达7.75mg/100g DW，显著高于CAN2的5.82mg/100g DW。代谢组学与主成分分析（PCA）显示光合色素与代谢物呈显著正相关，基因表达谱证实CBDAS和THCAS在CAN1中高效表达，调控大麻酚合成。该研究为解析品种特异性代谢调控机制提供了新证据。

　　植物科学与农业技术研究所的科学家们最近完成了一项研究，旨在深入探讨大麻（Cannabis）植物在不同生长阶段的代谢动态。这项研究聚焦于两个不同的大麻种质（CAN1和CAN2），通过系统分析它们的次生代谢物，揭示了在受控环境下，大麻中大麻素和萜烯的生产机制及其相关代谢调控因素。研究团队由Aatif Rashid、Charu Thakur、Villayat Ali、Sheenam Faiz、Shafali Bhasin、Sumit Jamwal和Dhiraj Vyas组成，他们来自印度整合医学研究所（CSIR），位于贾姆穆地区。该研究不仅为理解大麻植物的代谢变化提供了新的视角，也为优化其代谢产物的生产提供了科学依据。

大麻作为一种高度可变的物种，其植物体内含有丰富的次生代谢物，这些代谢物在植物的不同生长阶段表现出显著的差异。其中，大麻素和萜烯是最具代表性的两种成分，它们在植物的生理功能和药理作用中扮演着关键角色。研究团队通过全面的代谢组学分析，发现这两个种质在大麻素和萜烯的含量上存在明显差异，尤其是在花序部分，大麻素的浓度最高，这与花序中的腺毛（trichomes）作为次生代谢物合成的主要场所密切相关。此外，萜烯的种类和数量在两个种质中也表现出显著的多样性，特别是在单萜和倍半萜的含量方面，存在显著的统计学差异。

研究团队还对植物的形态特征进行了评估，发现两个种质在茎高、生物量和整体生长模式上存在明显差异。这些形态学上的变化可能与它们的代谢特性相关，反映出植物在不同生长阶段对环境因素的响应机制。通过代谢物谱分析和多元统计方法，研究人员进一步发现大麻素、萜烯和光合色素之间存在显著的相关性，这表明植物体内存在复杂的代谢交互网络。例如，光合色素的含量可能影响大麻素和萜烯的合成路径，而这些代谢物的积累又可能反过来调节植物的光合作用效率。

在研究过程中，科学家们采用了多种先进的分析技术，包括代谢组学、基因表达分析和主成分分析（PCA）。通过这些技术，他们能够更精确地追踪大麻素和萜烯的代谢变化，并揭示其在不同生长阶段的动态积累模式。例如，基因表达分析显示，在两个种质中，关键的大麻素合成酶（如CBDAS和THCAS）的表达水平存在差异，这可能导致了它们在大麻素转化效率上的不同表现。这种基因层面的差异可能是植物对环境适应性的一种体现，也可能是其代谢产物特性的遗传基础。

研究还强调了大麻素和萜烯之间的协同作用。许多研究表明，这两种化合物在植物的药理效应中具有重要的协同效应。例如，萜烯不仅赋予植物独特的香气，还可能通过影响大麻素的吸收和代谢，增强其生物活性。因此，理解大麻素和萜烯的相互作用对于开发新的药物或功能性产品具有重要意义。此外，研究还指出，植物的代谢通路在不同组织和生长阶段中表现出显著的时空差异，这表明植物的代谢活动并非静态，而是随着其生长环境和生理状态的变化而不断调整。

为了更深入地探讨这些代谢变化的机制，研究团队还对植物的化学成分进行了详细的分析。他们发现，不同组织中代谢物的积累模式存在显著差异。例如，叶片和花序中大麻素和萜烯的含量较高，而茎和根部则富含三萜类化合物和甾醇。这种分布模式可能与植物各部位的功能和生理需求有关。叶片作为光合作用的主要场所，可能需要更多的光合色素来支持其代谢活动，而花序则是大麻素和萜烯合成的集中区域，因此这些化合物的积累可能与其生殖功能密切相关。

在环境因素的影响方面，研究团队特别关注了在受控条件下植物的代谢响应。他们发现，不同生长阶段的代谢物含量变化与环境条件密切相关，例如光照、温度和湿度等。这些环境因素可能通过影响植物的基因表达和代谢通路，进而改变其代谢产物的组成和含量。例如，在生长的后期阶段，植物的代谢活动可能更加活跃，导致大麻素和萜烯的积累达到峰值。这种现象可能与植物的成熟过程和生殖需求有关。

此外，研究还揭示了植物代谢产物的自然变异。不同大麻品种在大麻素和萜烯的组成上表现出显著的差异，这可能与它们的遗传背景和生长环境有关。例如，某些品种可能更倾向于积累高浓度的大麻素，而另一些则可能富含特定类型的萜烯。这种自然变异为植物育种和代谢工程提供了重要的参考，使得科学家能够通过选择性培育或基因编辑技术，优化植物的代谢产物组成，以满足特定的应用需求。

研究团队还提到，大麻素和萜烯的代谢通路共享相同的前体物质，因此理解代谢通路的调控机制对于提高这两种化合物的产量至关重要。例如，植物体内可能通过调节某些关键酶的活性，来影响大麻素和萜烯的合成比例。这种调控机制可能受到多种因素的影响，包括植物的生长阶段、环境条件以及遗传因素。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素如何相互作用，以实现对大麻素和萜烯合成的精确控制。

研究结果对于大麻植物的栽培和应用具有重要的指导意义。首先，它为优化大麻素和萜烯的生产提供了理论依据。通过了解不同生长阶段的代谢特征，农民或研究人员可以采取相应的措施，例如调整光照强度、控制温度或优化水分供应，以促进特定代谢产物的积累。其次，研究结果有助于理解大麻植物的生理机制，从而为开发新的药物或功能性产品提供科学支持。例如，某些大麻品种可能更适合用于治疗特定疾病，而另一些则可能更适合用于生产精油或其他芳香产品。

最后，研究团队还强调了进一步研究的必要性。尽管他们已经取得了重要的发现，但大麻植物的代谢调控机制仍然存在许多未知之处。例如，不同代谢产物之间的相互作用、环境因素如何影响代谢通路的活性，以及基因表达如何在不同生长阶段发生变化等问题，都需要更深入的研究。此外，研究团队还提到，随着对大麻植物研究的不断深入，未来可能会发现更多与代谢产物相关的基因和调控因子，这将为大麻植物的遗传改良和代谢工程提供新的思路。

综上所述，这项研究为大麻植物的代谢动态提供了详尽的分析，揭示了其在不同生长阶段的代谢变化及其背后的调控机制。通过结合代谢组学、基因表达分析和多元统计方法，研究团队不仅发现了两个种质在代谢产物组成上的差异，还为优化大麻素和萜烯的生产提供了科学依据。这些发现对于大麻植物的栽培、研究和应用具有重要的意义，也为未来的研究指明了方向。