红光强度调控Platostoma palustre多糖生物合成的多组学机制解析

《BMC Plant Biology》：Multi-omics analysis reveals insights into the key genes involved in polysaccharide biosynthesis induced by red light intensity in Platostoma palustre

本研究针对药用植物Platoma palustre多糖生物合成机制不清的问题，通过多组学技术系统解析了红光强度诱导下多糖合成的关键基因网络。研究人员发现红光强度显著促进植物生长和单糖积累，鉴定出55个多糖合成相关DEGs和17个核心转录因子（B3_superfamily、AP2/ERF等），重构了多糖合成通路并揭示转录因子与蔗糖合成酶（SuSy）、SnRK2等关键蛋白的互作网络，为高多糖品种选育提供理论基础。

　　

在药用植物研究领域，Platostoma palustre（中文名：凉粉草）作为传统药食同源植物备受关注，其核心功能成分——多糖（PPP）具有抗氧化、降血压等多种生物活性。然而，这种珍贵多糖的生物合成路径犹如迷宫般错综复杂，特别是环境因子如何调控其合成机制更是迷雾重重。光作为植物生长的"总开关"，红光被认为能显著促进植物生长，但不同红光强度对多糖合成的精细调控机制仍属未知领域。

为了解开这个谜团，韦凡团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，巧妙设计了红光强度梯度实验（T2-T8四个处理组），结合三代全长转录组（PacBio SMRT）和二代转录组（Illumina）测序技术，首次绘制了红光强度调控多糖合成的分子图谱。研究人员通过高效阴离子交换色谱（HPAEC）精准定量10种单糖组分，利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘关键模块，并通过蛋白互作网络揭示转录因子与功能基因的调控关系。

研究结果部分呈现出一幅完整的分子调控图谱：

红光强度对植物生长和单糖积累的影响

实验发现植物鲜重与红光强度呈正相关，T8处理较T2提升110%。而单糖组分呈现差异化响应：葡萄糖含量随光强持续上升，其他8种单糖则在T4或T6处理出现峰值，揭示器官特异性光响应机制。

全长转录组测序与功能注释

通过PacBio SMRT测序获得69,222条非冗余转录本，N50长度达1,954bp，BUSCO评估显示完整性达90%以上。六大数据库注释表明，75.93%的转录本在NR数据库中获得功能注释，为后续分析奠定基础。

差异表达基因与KEGG富集分析

差异表达基因数量随光强差异增大而增加，T2-vs-T8比较组检测到5,530个DEGs。KEGG富集显示"植物激素信号转导"为六大比较组共有通路，"淀粉蔗糖代谢"在五个比较组中显著富集，提示激素-糖代谢协同调控机制。

多糖合成通路关键基因鉴定

研究鉴定出55个多糖合成相关DEGs，涉及蔗糖合成酶（SuSy）、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（UGP2）等15种关键酶。表达热图显示蔗糖合成酶基因（transcript_20138等）与葡萄糖含量呈正相关，而甘露糖合成途径基因表达与含量负相关，揭示复杂调控网络。

WGCNA模块与hub转录因子筛选

通过WGCNA识别6个共表达模块，其中棕色模块与岩藻糖等5种单糖显著相关（MS>0.5）。基于连接度筛选出17个核心转录因子，分属B3_superfamily、WRKY、AP2/ERF等家族，如transcript_43348（B3）在多个模块中居核心地位。

蛋白互作网络揭示调控机制

STRING数据库分析发现转录因子与激素信号通路关键组分存在互作：transcript_43348（B3）与蔗糖合成酶（SuSy）直接互作，transcript_1530（B3）同时连接bHLH转录因子和SnRK2（ABA信号核心组分），transcript_52483（AP2/ERF）与ARR-B（细胞分裂素信号元件）互作，构建了光信号-激素-多糖合成的桥梁。

这项研究首次系统阐明了红光强度通过转录因子网络调控Platostoma palustre多糖合成的分子机制，不仅为药用植物品质改良提供新靶点，更创新性地揭示了光信号与植物激素交叉对话调控次级代谢的路径。特别值得注意的是，B3超家族转录因子作为核心调控节点的发现，为理解植物环境适应性提供了新视角。该研究建立的多组学分析框架，可推广至其他药用植物活性成分合成机制研究，对中医药现代化发展具有重要推动意义。