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研究人员针对麻黄茎根差异代谢物开展研究，构建调控网络，解释其分布与合成机制，意义重大。
麻黄，这种植物看似普通，却有着神奇的功效。它常被添加到膳食补充剂中用于减肥和增强能量，在药物领域，更是广泛应用于抗病毒、抗哮喘、利尿、降压和抗炎等方面。有趣的是，麻黄的茎和根就像性格迥异的 “两兄弟”，有着截然不同的作用。茎能促进出汗、升高血压，而根却能抑制出汗、降低血压。这背后的秘密就在于它们含有不同的化学成分，这些成分被称为显著差异代谢物（Significantly differential metabolites，SMs）。
以往的研究虽然发现了这些差异代谢物，如麻黄碱生物碱、麻黄定、麻黄酮等，但对于它们的形成过程却知之甚少。目前的研究大多集中在关键生物合成基因的鉴定上，而这些合成基因的上游调控因子以及 SMs 的完整生物合成过程仍然是未解之谜。为了揭开这些神秘的面纱，山西大学应用化学研究所、现代中药研究中心等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Plant Growth Regulation》上，这一成果对于深入理解植物次生代谢的调控机制具有重要意义。
研究人员主要运用了代谢组学、转录组学以及生物信息学分析等关键技术方法。他们采集了山西大同的野生麻黄，将其分为多个部分进行研究。通过代谢组学技术分析代谢物的种类和含量，利用转录组学技术检测基因的表达情况，再借助生物信息学分析对数据进行深度挖掘。
研究结果如下：
- 通路基因对 SMs 生物合成的调控：研究人员综合分析了已鉴定代谢物的分布特征和候选基因的表达模式，发现候选基因调控着 SMs 在麻黄茎（ES）或根（ER）中的积累。多数 SMs 有主要合成位点，但部分如麻黄碱生物碱和儿茶素，合成位点并不固定，可能存在代谢物在 ES 和 ER 之间的运输，这是麻黄 SMs 动态生物合成的一部分。
- 候选基因对不同 SMs 生物合成的调控：
- 麻黄碱生物碱：麻黄碱生物碱在 ES 中显著富集，但其关键前体在 ER 中含量更高，且合成基因在 ER 中的转录水平也更高，表明相关酶主要在 ER 中催化合成 1 - 苯基丙烷 - 1,2 - 二酮。而 PaNMT 基因仅在 ES 中表达，所以 1 - 苯基丙烷 - 1,2 - 二酮或去甲伪麻黄碱可能从 ER 转运到 ES，进而在 ES 中生成麻黄碱生物碱，但由于关键基因未鉴定，无法准确确定转运的中间产物。
- 黄酮类化合物：表阿夫儿茶精、麻黄酮、麻黄宁、儿茶素和表儿茶素属于黄酮类化合物，它们的合成起源于 ER，因为其共同前体在 ER 中的浓度更高，且合成基因在 ER 中的表达水平也更高。不过，山奈酚主要在 ES 中由 FLS 催化合成，可能从茎运输到根以促进麻黄宁在 ER 中的合成。而儿茶素的末端合成主要发生在 ES。
- 其他 SMs：麻黄定和阿魏酰组胺主要在 ER 中生物合成。α - 松油醇和 2,3,5,6 - 四甲基吡嗪最终在 ES 中积累，单萜类主要在 ES 中合成，2,3,5,6 - 四甲基吡嗪的合成过程涉及代谢物在 ES 和 ER 之间的运输。
- 麻黄中转录因子和 miRNA 的鉴定及表达：研究人员从麻黄中鉴定出 49 个转录因子家族和 143 个 miRNA。在 ES 和 ER 中，101 个转录因子的表达水平存在显著差异，多数 miRNA 在 ES 中的表达高于 ER。这些关键调控因子的组织特异性表达表明它们具有特殊功能。
- 关键 TF 与 SMs 生物合成途径基因的相互作用：不同转录因子在不同 SMs 生物合成过程中发挥着激活或抑制作用。例如在麻黄碱生物碱合成中，TRINITY_DN103564_c0_g1 MYB 等转录因子与相关基因表达呈负相关，可能是关键负调控因子；而 Dof 等转录因子与 EsPAL 表达正相关，是正调控因子。
- miRNA 与 TF、途径基因在 SMs 生物合成中的相互作用：多数已知 miRNA 靶向特定转录因子，且 miRNA 与靶基因的关系是 “多对多”。例如，在 ER 中高表达的 miR156 等，其靶向的转录因子在 ES 中活性较高，从而影响下游合成基因。此外，有 4 个 miRNA 可直接靶向单萜类合成基因，影响萜类在 ES 中的合成与积累。
- miRNA - TF - 基因关键调控网络：研究人员构建了关键调控网络，该网络可阐明关键因子对麻黄碱生物碱、黄酮类、单萜类等 SMs 生物合成的调控作用。不同关键调控基因在 ES 或 ER 中的表达偏好影响终产物积累，导致麻黄茎根代谢物组成差异巨大。
研究结论与讨论部分指出，该研究深入探讨了麻黄茎根差异代谢物的动态生物合成过程，以及转录因子和 miRNA 对关键基因的调控作用。虽然部分中间代谢物和前体存在差异，但多数代谢物检测结果与研究相符，体现了代谢物合成的动态性。此外，研究还发现部分候选基因与真菌同源基因相似，这可能与内生真菌和麻黄的共生关系有关，为深入理解麻黄代谢物合成过程提供了新视角。同时，转录因子在麻黄 SMs 生物合成中的调控作用复杂，且不同植物中部分 miRNA 介导的调控模块具有保守性。总之，这项研究成果不仅加深了人们对植物次生代谢调控的理解，也为后续研究提供了重要参考，具有极高的科学价值。
