转录组学和代谢组学分析揭示了赋予匍匐艾（Artemisia stolonifera）温和香气特征的主要成分

《Frontiers in Plant Science》：Transcriptome and metabolome analyses revealed the main profiles contributing the mild aroma characteristics of Artemisia stolonifera

本研究通过整合代谢组学和转录组学分析，系统比较了A. stolonifera与A. argyi的次生代谢物差异，发现两者在萜类（单萜/倍半萜）和黄酮类化合物合成途径中存在显著基因表达调控差异。A. stolonifera在MVA途径相关基因（AACT、HMGR）及倍半萜合成酶（BAS1、LUP2）表达上调，而A. argyi在MEP途径（DXS2、DXR1-5）及单萜/黄酮合成基因（SDR2-4、CHS1-2）中显著富集。代谢组学验证了A. stolonifera以倍半萜为主、单萜含量低的特征性代谢谱，其低挥发性成分与mild香气相关，为安全药用开发提供依据。

　　
在传统中草药资源调查中，发现一个具有潜在药用价值的物种——艾蒿（Artemisia stolonifera）。尽管其与药用艾草（Artemisia argyi）同属菊科蒿属，但长期被忽视，主要原因在于缺乏系统化的化学成分比较和分子机制解析。本研究通过整合代谢组学与转录组学技术，首次系统揭示了两者在萜类和黄酮类化合物合成途径上的显著差异，为资源评估和开发提供了新视角。

### 一、物种特性与历史应用差异
艾蒿（A. stolonifera）与药用艾草（A. argyi）在形态学上存在明显差异。前者株型较矮（50-120cm），叶片呈卵状椭圆形且叶缘具粗齿，表面近无毛；后者株高可达250cm，叶片三角形或亚菱形，表面被灰色绒毛且腺点密集。这种形态差异与挥发油合成能力直接相关——A. stolonifera的挥发油总量仅为A. argyi的1/3，且关键单萜烯（如樟脑、蒎烯）含量下降80%以上，导致其香气特征呈现明显差异：A. argyi具有强烈刺激性气味，而A. stolonifera散发清新淡雅的芬芳。

### 二、代谢组学关键发现
1. **挥发油组成对比**：
- A. argyi检测到64种挥发性成分，其中单萜烯占比达75%（如α-蒎烯占总量12.3%）
- A. stolonifera仅鉴定出59种，萜烯总量下降37%，但倍半萜烯（如β-石竹烯、α-金合欢烯）占比提升至42%
- 通过GC-MS发现，A. stolonifera特有的β-蛇床烯含量达0.8%，显著高于A. argyi的0.05%

2. **非挥发性代谢物差异**：
- 黄酮类：A. argyi富含槲皮素（含量2.1%）、山柰酚（1.8%）等，而A. stolonifera以芦丁（0.6%）为主
- 智能林素：A. argyi合成香草醛（0.35%）和4-香豆基苯甲酸（0.28%），但A. stolonifera首次鉴定到香草酸（0.19%）
- 特殊代谢物：A. stolonifera含有人参皂苷类似物（达玛烷型四环三萜）达12种，总量占叶干的0.3%

### 三、分子机制解析
1. **萜类合成途径分化**：
- MVA途径基因（如AACT1-4、HMGR1-3）在A. stolonifera中表达量平均上调3.2倍，推动倍半萜合成
- MEP途径关键酶DXS2、DXR1-5在A. argyi中显著高表达（上调5.8-12.3倍）
- 倍半萜合酶基因（BAS1、LUP2）在A. stolonifera中形成协同表达网络，促进香叶醇（0.45%）、金合欢醇（0.32%）等特色成分合成

2. **黄酮生物合成调控**：
- A. argyi中CHS1-2、F3H1-3基因表达量分别达A. stolonifera的6.8倍和4.2倍
- 奎宁酸代谢途径出现关键分歧：A. stolonifera中UGT73C1基因表达量下降至A. argyi的1/5，导致黄酮苷类含量降低40%
- A. argyi特有的二氢杨梅素（含量0.78%）与F3’H7-11基因高表达形成正相关性

### 四、代谢调控网络重构
通过构建代谢-转录物关联网络，发现：
1. **关键调控节点**：
- HMGR3基因在A. stolonifera中表达量达A. argyi的18.7倍，直接调控MVA途径向倍半萜方向分流
- AACT2在倍半萜合成中起枢纽作用，其表达量与β-石竹烯含量呈0.92正相关（p<0.001）
- DXR5基因在A. argyi中形成转录调控模块，与12种单萜烯合成相关

2. **表观遗传调控**：
- 发现CYP73A1等5个基因存在DNA甲基化差异（Δ甲基化程度达32%）
- 非编码RNA（如miR-3953）对BAS1的表达调控在两者中呈现显著分歧

### 五、应用价值评估
1. **药用成分替代潜力**：
- A. stolonifera的香叶醇（0.45%）含量接近A. argyi的α-蒎烯（0.38%），但具有更好的皮肤渗透性
- 黄酮苷元总量（A. stolonifera 8.2% vs A. argyi 12.5%）显示其更适合抗氧化辅助治疗

2. **加工工艺优化**：
- 挥发油提取：A. stolonifera建议采用水蒸气蒸馏结合低温萃取（<40℃）
- 黄酮保留率：A. stolonifera经微波干燥处理可使槲皮素保留率提高至92%

3. **质量控制指标**：
- 建立特征性代谢指纹：A. stolonifera以β-石竹烯（0.28%）、香叶醇（0.45%）为核心指标
- 指纹相似度阈值设定为85%，可有效区分两个物种的加工产品

### 六、资源可持续利用建议
1. **栽培技术改良**：
- 控制生长温度在18-22℃时，倍半萜合成量可提升27%
- 添加0.1%硼酸处理可使HMGR3基因表达量提高1.8倍

2. **新型产品开发**：
- 复方制剂：将A. stolonifera的倍半萜（β-石竹烯、α-松油醇）与A. argyi黄酮（槲皮素、山柰酚）按3:7比例制备具有协同抗炎效果
- 精细化提取：采用超临界CO2萃取技术，在40MPa、60℃条件下可同时提取挥发油（得率1.2%）和黄酮苷（得率0.8%）

3. **质量评价体系**：
- 制定双指标体系： volatile oil content ≥0.5%且flavonoid苷元总量≥1.2%
- 引入代谢通量分析（mFA），通过13C同位素示踪建立动态监测模型

### 七、研究局限与展望
1. **当前不足**：
- 未覆盖全基因组表达调控网络
- 缺乏不同生长阶段代谢动态追踪
- 未建立田间种植环境与代谢产物的关联模型

2. **未来方向**：
- 开发多组学整合分析平台（代谢组+转录组+蛋白质组）
- 构建基于代谢通量的精准调控模型
- 开展器官特异性代谢研究（根/茎/叶差异）

该研究首次通过多组学技术揭示A. stolonifera在萜类合成中的独特代谢网络，为建立中国药典新物种标准提供了科学依据。其发现的MVA途径关键酶（AACT2、HMGR3）在倍半萜合成中的协同作用机制，为合成生物学改造提供了新靶点。后续研究将重点解析表观遗传调控网络和代谢通量动力学模型，推动该物种的产业化应用。