生长年限对白术品质影响的整合形态学、代谢组学与转录组学研究揭示其药用价值提升机制

本研究针对白术(Atractylodes macrocephala Koidz.)因生长年限缩短导致的品质下降问题，通过整合形态学观察、DESI-MSI空间代谢成像、UPLC定量分析和多组学技术，首次系统揭示5-10年生白术具有更显著的"鹤颈"形态特征及更高含量的倍半萜类（atractylenolide I/III）和酚酸类活性成分，为道地药材栽培提供科学依据。

　　

在传统中医药体系中，白术(Atractylodes macrocephala Koidz.)作为健脾益气的要药已有2000余年应用历史。现代研究证实其倍半萜类成分(atractylenolide I/III)和酚酸类物质(chlorogenic acid)具有抗炎、胃肠调节等药理活性。然而随着野生资源枯竭，人工栽培周期从传统的5-10年缩短至1-2年，导致药材品质显著下降。更关键的是，古代医籍记载的优质白术标志性"鹤颈"形态（Hejing）形成机制及其与活性成分积累的关系始终未解，严重制约了高品质白术的生产实践。

中国中医科学院中药资源中心的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，创新性地采用直接播种法获取1、2、3、5和10年生白术样本，通过整合形态测量、显微结构观察、UPLC定量分析、非靶向代谢组学、DESI-MSI空间代谢成像和PacBio+Illumina双平台转录组测序等技术，首次系统揭示了生长年限对白术品质形成的调控机制。

关键技术方法包括：采集浙江天台山脉不同海拔（331-771m）的5个生长年限样本；采用纤维分析仪测定木质素/纤维素含量；UPLC定量6种活性成分；DESI-MSI在-15°C下获取30μm切片的空间代谢图谱；PacBio Sequel II平台完成全长转录组测序；通过GO/KEGG分析差异表达基因(DEGs)。

形态学特征

测量显示5-10年生白术 rhizome 重量(4.20-4.94g)和长度(92-94mm)显著增加，中部直径缩小至6.96mm（Y10）形成典型"鹤颈"结构（图1）。显微观察发现10年生样本木质部增厚3倍，导管簇达28-66个（图2K-P），为形态支撑提供结构基础。

代谢特征

UPLC检测显示10年生样本中atractylenolide I(0.30mg·g^-1)、atractylone(1.47mg·g^-1)和chlorogenic acid(2.17mg·g^-1)含量达峰值（图3F-I）。非靶代谢组发现蔗糖含量下降32.31%，而C₃₇H₆₂O₁₆等未鉴定化合物随年限积累（图4）。DESI-MSI空间分析揭示奎宁酸(quinic acid)从表皮向皮层扩散，多炔类(PAT1-3)在5年后富集于皮层（图5）。

分子机制

转录组显示Y5/Y10显著上调HMGR(甲羟戊酸途径限速酶)、DXS(MEP途径限速酶)及下游GPS/GGPS等倍半萜合成基因（图7B）。木质素合成关键酶CCR和HCT表达量与含量正相关（图7C），而蔗糖合成酶SPS/SPP在Y1-Y3高表达（图7A）。

该研究首次证实5年生是白术品质形成的临界点，此时"鹤颈"形态完全显现，活性成分趋于稳定。研究不仅为古代"辨状论质"理论提供现代科学阐释，更建立了生长年限-形态-成分-基因表达的完整调控网络，对指导GAP种植和提升临床疗效具有重要价值。特别值得注意的是，DESI-MSI技术首次可视化奎宁酸等防御物质的时空分布规律，为理解药用植物次生代谢生态功能提供新视角。团队建议将3年生白术的atractylenolide I(0.18mg·g^-1)等含量作为质量控制基准，这对《中国药典》标准修订具有直接参考意义。