基于多组学联用技术解析山豆根中生物碱与黄酮类成分的组织特异性合成调控机制

本研究针对药用植物山豆根(Sophora tonkinensis)中关键药效成分生物碱和黄酮类化合物的代谢通路不明问题，通过整合转录组(RNA-seq)和代谢组(LC-MS)技术，系统分析了根、茎、叶、种子不同组织的基因表达谱和代谢物积累模式。研究发现StCAO和StCHIs基因分别调控生物碱和黄酮合成，鉴定出23种生物碱和23种黄酮差异代谢物，揭示了苯丙烷类代谢通路的关键作用，为药用成分的代谢工程改良提供理论依据。论文发表于《BMC Plant Biology》。

　　

在传统中医药宝库中，山豆根(Sophora tonkinensis)因其根茎富含具有抗菌、抗炎、抗肿瘤活性的生物碱和黄酮类成分而备受青睐。这种生长在喀斯特地区的豆科植物，其干燥根茎被收录于《中国药典》，用于治疗咽喉肿痛、牙龈出血等症。尽管已鉴定出150余种化合物（包括80多种黄酮和20多种生物碱），但关于这些关键药效成分如何在植物体内合成、转运和积累的分子机制，却如同隐藏在迷雾中的拼图碎片。更令人困扰的是，不同组织部位（如根、茎、叶、种子）的药效成分含量存在显著差异，这种组织特异性调控的奥秘尚未被揭示。

为了破解这一科学谜题，广西药用植物园的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了开创性研究。他们采用多组学联用策略，通过高通量转录组测序和液相色谱-质谱(LC-MS)技术，系统分析了山豆根四种组织的基因表达谱和代谢物积累模式。研究团队从广西环江县的种植基地采集样本，运用RNA-seq获得2727个差异表达基因(DEGs)，结合LC-MS鉴定出296种差异积累代谢物(DAMs)，通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘关键调控基因，并采用qPCR验证候选基因表达模式。

研究首先通过表型观察建立了组织特异性研究基础。山豆根的种子、叶片、茎和根表现出明显形态差异，这与其功能特化密切相关。转录组分析揭示，不同组织间存在大量差异表达基因，其中543个为共有基因，而各比较组特有基因占比高达96.45%，暗示组织功能分化导致的基因表达重编程。

在生物碱合成通路中，35个DEGs被鉴定为关键参与者。引人注目的是铜胺氧化酶基因StCAO(evm.model.3.924)在种子中表达量显著高于其他组织，与其催化尸胺转化为1-哌啶烯的生物学功能相符。代谢组数据印证了这一发现，种子中总生物碱含量达19.88 mg/g，显著高于其他组织。特别值得注意的是苦参碱(matrine)和氧化苦参碱(oxymatrine)的积累模式，这两种具有抗癌活性的喹诺里西啶类生物碱(QAs)在种子中的含量分别达到169.48 μg/g和9.43 mg/g。

黄酮类代谢研究同样取得突破。48个黄酮合成相关DEGs中，查尔酮异构酶基因StCHIs(evm.model.3.2047等)在种子中表达量尤为突出，是其他组织的1.76-3.07倍。代谢组分析显示种子中总黄酮含量达14.02 mg/g，其中染料木苷(genistin)含量为27.13 μg/g。而叶片则特异性地积累了更高水平的染料木素(genistein，15.05 μg/g)，这种组织特异性分布模式为定向利用不同药用部位提供了依据。

通过WGCNA构建的共表达网络揭示了关键调控模块。"洋红色模块"与生物碱积累显著相关，其中StCAO与酪氨酸氨基转移酶(StTAT)形成核心调控网络；"棕褐色模块"则与黄酮代谢密切相关，以StCHIs和角鲨烯单加氧酶(StSQLE)为枢纽。这些发现为解析次生代谢物的组织特异性调控提供了新视角。

研究最后通过KEGG通路富集分析，确认苯丙烷类、黄酮类和异黄酮类生物合成是山豆根组织差异的核心代谢通路。这一发现不仅完善了药用植物次生代谢的理论框架，更对山豆根品种选育和栽培优化具有重要指导价值——通过调控StCAO和StCHIs等关键基因的表达，有望实现特定药用成分的定向富集。

这项研究首次系统阐明了山豆根主要药效成分的组织特异性积累规律，建立了从基因到代谢产物的完整调控网络。其创新性体现在三方面：一是采用多组学整合策略破解复杂代谢网络；二是发现StCAO和StCHIs等关键调控基因；三是揭示了种子作为生物碱富集器官的潜在应用价值。这些成果不仅为山豆根质量评价提供了分子标记，也为其他药用植物的代谢调控研究提供了范式参考。未来研究可进一步探索这些关键基因的转录调控机制，以及环境因素如何通过这些基因影响药效成分积累，为中药材的标准化生产奠定理论基础。