芍药中单萜苷、没食子酸苷和类黄酮的组织特异性积累与表达模式：整合转录组与代谢组分析揭示其生物合成分子机制

本研究针对芍药(Paeonia lactiflora Pall.)中具有重要药用价值的单萜苷(MGs)、没食子酸苷(GGs)和类黄酮的生物合成机制不明问题，通过整合非靶向代谢组学和转录组学技术，系统分析了四种组织的代谢物积累与基因表达特征。研究发现根部特异性积累8种MGs、2种GGs和18种类黄酮，鉴定出CYP71AN24.1、UGT91A1.1等9个CYP450和2个UGT参与MGs生物合成，以及14个UGT参与类黄酮修饰。该研究为芍药活性成分的代谢工程改良提供了重要理论依据。

　　

作为中国传统药用植物，芍药(Paeonia lactiflora Pall.)的根部作为"白芍"和"赤芍"已有1200余年药用历史，其核心活性成分单萜苷(MGs)如芍药苷(paeoniflorin)具有独特的笼状蒎烷骨架，被视为芍药科植物的化学分类标记。然而，这些珍贵药用成分的生物合成途径仍存在关键环节缺失，特别是负责单萜骨架修饰的细胞色素P450(CYP450)和尿苷二磷酸糖基转移酶(UGTs)尚未明确。同时，尽管没食子酸苷(GGs)和类黄酮(flavonoids)同样具有重要药理活性，其生物合成网络在芍药中仍属空白。这种知识缺口严重制约了通过代谢工程手段提高活性成分含量的尝试。

为解决这一科学问题，浙江省中医药研究院的研究团队在《BMC Genomics》发表了开创性研究。该研究采用UPLC-Q-Orbitrap MS非靶向代谢组学和Illumina NovaSeq 6000转录组测序技术，对芍药的根、叶、花和果实四种组织进行系统分析。通过KEGG通路富集、加权基因共表达网络分析(WGCNA)和蛋白结构预测等方法，构建了活性成分生物合成的分子网络。

研究首先通过非靶向代谢组学鉴定到1406种代谢物，主成分分析(PCA)显示不同组织间代谢物差异显著。K-means聚类将代谢物分为5个亚群，其中283种代谢物在根部显著富集，包括芍药苷、苯甲酰芍药苷(benzoylpaeoniflorin)等特征性MGs。KEGG分析揭示次级代谢物生物合成和转运过程是造成组织特异性积累的关键因素。

转录组测序获得853,423,688条高质量reads，组装为289,313个unigenes。差异表达分析发现根部高表达16个MGs相关基因、2个GGs相关基因和9种类黄酮相关基因。引人注目的是，通过系统发育分析鉴定出CYP71AN24.1、UGT91A1.1等9个CYP450和2个UGT可能参与MGs生物合成，其中CYP71AN24.1与已知萜类修饰酶PmCYP71AN24结构相似度达91.3%。对UGT89B2的结构预测显示其与茄子(Solanum melongena)中参与芦丁(rutin)生物合成的SmUGT89B2具有高度相似性(TM-score=0.956)。

通过整合代谢组与转录组数据，研究构建了三种活性成分的生物合成网络：

1. MGs生物合成途径：包含甲羟戊酸(MVA)和甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)两条前体供应途径，以及由CYP71AN24.1等介导的骨架修饰过程。相关性分析显示CYP71E1与芍药苷含量显著相关(r>0.98)。
2. GGs生物合成途径：通过莽草酸途径生成没食子酸，经UGT84A24.1催化形成β-1-O-葡萄糖酯。
3. 类黄酮生物合成途径：苯丙烷代谢途径产生黄烷酮骨架，UGT89B2等介导糖基化修饰。

WGCNA分析进一步锁定24个MGs和18种类黄酮生物合成的枢纽基因。其中turquoise模块与芍药苷等MGs呈显著正相关，包含CYP71AN24.1等关键基因。

这项研究的意义在于：首次系统阐明了芍药主要活性成分的组织特异性积累规律，鉴定出CYP71AN24.1、UGT91A1.1和UGT89B2等关键修饰酶基因，为解析芍药科植物特征性成分进化提供了新视角。所构建的生物合成网络不仅填补了药用植物代谢研究的空白，更为定向改造芍药活性成分含量奠定了分子基础。特别是发现的CYP71家族成员在单萜骨架修饰中的潜在作用，为拓展植物CYP450功能认知提供了新线索。这些发现将显著促进芍药药材质量提升和工业化生产技术的发展。