内生菌源苯丙氨酸与反式肉桂酸调控嘉兰秋水仙碱生物合成通路的机制研究

本研究针对濒危药用植物嘉兰（Gloriosa superba）秋水仙碱（colchicine）产量低下的问题，通过内生芽孢杆菌（Bacilli）接种实验，揭示了微生物通过提供苯丙氨酸（phenylalanine）、反式肉桂酸（trans-cinnamic acid）等外源前体，激活PAL、CYP450等关键酶基因，显著提升秋水仙碱含量（较对照提高3.2倍）并促进植物生长。该发现为濒危药用植物的可持续开发及微生物-植物互作机制研究提供新范式。

　　

秋水仙碱（colchicine）作为治疗痛风和癌症的重要药物，市场需求持续增长，但其主要植物来源嘉兰（Gloriosa superba）却因过度采挖濒临灭绝。传统解决方案如化学合成成本高昂，而植物组织培养又面临代谢物不稳定的瓶颈。更棘手的是，嘉兰本身生长缓慢且易受环境胁迫影响，导致全球范围内出现"药用植物危机"。在此背景下，中国国家植物研究所的研究团队另辟蹊径，将目光投向植物体内的"隐形盟友"——内生菌（endophytes），通过揭示微生物调控宿主代谢通路的分子机制，为这一困局提供创新解决方案。

研究团队采用多组学联用策略：首先从嘉兰根茎分离出3株具有促生潜力的内生芽孢杆菌（NBRI LYN9/HYL5/HYL8），通过GC-MS分析其代谢物谱；随后开展温室/田间双尺度实验，结合ICP-MS检测金属离子吸收、qPCR量化PAL（苯丙氨酸解氨酶）、NMT（N-甲基转移酶）等基因表达；最后通过宏基因组测序解析菌群结构变化。

Endophyte inoculum
从嘉兰根茎筛选的3株内生芽孢杆菌均能分泌苯丙氨酸途径代谢物，其中NBRI HYL5产trans-cinnamic acid能力最强，为后续实验提供菌种基础。

Metabolite profiling
GC-MS数据显示菌株分泌的phenyl ethyl alcohol、苯丙氨酸等可直接进入colchicine生物合成上游，且处理组植物中这些前体含量提升2.1-3.8倍，从物质基础上解释产量提升机制。

Discussion
研究发现内生菌通过"三重效应"发挥作用：① 提供苯丙氨酸途径前体；② 促进Fe/Zn等微量元素吸收，激活金属酶活性；③ 重塑根际菌群结构，使Bacillus丰度提升47%。特别值得注意的是，CYP450^72A
基因表达量变化与colchicine积累呈显著正相关（R²
=0.89）。

Conclusion
该研究首次阐明内生菌通过"代谢前体供给-营养吸收协同-菌群重构"的级联反应调控colchicine生物合成，使目标产物产量提升320%，同时植株生物量增加65%。这一发现不仅为《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）名录物种的可持续利用提供技术支撑，更开创了"微生物-植物共代谢"精准调控的新模式。相关技术已申请专利（CSIR-NBRI_MS/2025/06/03），有望应用于其他高价值植物次生代谢物的绿色生产。