多组学解析黄精(Polygonatum cyrtonema)生长年限对活性成分积累的调控机制

本研究针对黄精(Polygonatum cyrtonema)生长年限影响药用活性成分积累的科学问题，通过整合转录组学和代谢组学技术，系统分析1年生与2年生植株的基因表达谱和代谢物差异。研究发现2年生植株中80种差异代谢物（DEMs）显著富集，包括苯丙烷类、生物碱等药用成分；转录组鉴定2068个差异基因（DEGs），关键通路涉及苯丙烷生物合成和糖代谢。该研究为短周期培育高活性成分黄精品种提供了分子靶点，发表于《Current Plant Biology》。

　　

黄精作为传统"药食同源"植物，其多糖、黄酮等活性成分具有抗肿瘤、降血糖等药理作用。然而，野生资源过度开采与栽培周期长（通常需3-5年）严重制约产业发展。尽管前期研究发现黄精活性成分含量与生长年限相关，但分子调控机制尚不明确。温州医科大学的研究团队通过比较1年生与2年生黄精的转录组和代谢组差异，揭示了生长年限影响活性成分积累的分子图谱。

研究采用Illumina HiSeq平台进行叶片转录组测序，结合UHPLC-MS/MS技术分析根组织非靶向代谢组。样本来自安徽池州野生黄精，经分类学家戴利尚教授鉴定。通过RSEM定量基因表达，DESeq2筛选DEGs；代谢物通过OPLS-DA模型筛选DEMs，并整合分析关键通路。

转录组分析发现：
3.1 转录组分析显示2年生植株中1026个基因上调，1042个下调。KEGG富集显示糖代谢（如丙酮酸代谢）和苯丙烷生物合成通路显著激活，其中CAD（肉桂醇脱氢酶）基因表达量提升6.48-13.36倍。

3.2 代谢组特征：
根组织中鉴定到1842种代谢物，2年生植株有机酸（如柠檬酸）、苯丙烷类（如对香豆酸）含量显著增加。VIP评分最高的20种代谢物中，L-苯丙氨酸等氨基酸前体物质显著积累。

3.3 关键通路解析：
苯丙烷通路中，虽然PAL（苯丙氨酸解氨酶）基因表达下降，但下游CYP98A基因表达增强，促进酪氨酸转化为对香豆酸。CAD基因的高表达驱动木质素单体合成，可能通过增强细胞壁沉积促进次生代谢物积累。

3.4 实验验证：
qPCR对随机选择的11个DEGs验证显示表达趋势与转录组一致，包括6个上调基因（如CAD）和5个下调基因（如PAL），证实数据可靠性。

该研究首次阐明黄精生长年限通过激活苯丙烷通路（PAL-CAD-CYP98A轴）和糖代谢网络促进活性成分积累的分子机制。发现2年生植株已具备关键药用成分合成潜力，为缩短栽培周期提供理论依据。未来可通过基因编辑靶向调控CAD等关键酶，实现优质黄精的分子设计育种。研究采用的跨组学策略也为其他药用植物品质改良提供了范式。