基于整合代谢组与转录组分析的两种阿魏属植物气味成分调控机制研究

本研究针对阿魏属植物特有气味成分形成机制不清的问题，通过整合挥发性代谢组与转录组技术，系统比较了新疆阿魏(Ferula sinkiangensis)与荒漠阿魏(Ferula ferulaeoides)的挥发性硫化物(VSCs)和萜类代谢差异。研究发现VSCs是新疆阿魏强烈蒜香特征的主要来源，而萜类主导荒漠阿魏的温和香气；鉴定出87个VSCs合成相关基因和54个萜类调控基因，揭示了γ-谷氨酰转移酶(GGT)和黄素单加氧酶(FMO)在VSCs积累中的协同作用。该研究为阿魏属植物品质调控提供了分子靶点。

　　

在广袤的中亚地区，阿魏属植物以其独特的药用价值和浓郁香气闻名遐迩。作为伞形科第三大属，阿魏属包含约180个物种，其中中国新疆就分布着25种特有品种。这些植物不仅被罗马时代沿用至今作为药材，更是中亚地区烹饪中不可或缺的香料。然而令人困惑的是，同属植物却展现出截然不同的气味特征——新疆阿魏(XJ)散发着持久浓烈的蒜葱样辛辣，而荒漠阿魏(DS)则呈现出温和的芹香气息。这种显著的种间差异背后隐藏着怎样的代谢奥秘？

石河子大学生命科学学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究揭开了这一谜题。研究人员采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱(HS-SPME-GC/MS)和超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)技术分析挥发性成分，结合Illumina高通量测序进行转录组解析。通过对两年生栽培植株根组织的多组学联合分析，系统阐释了两种阿魏特征性气味形成的分子机制。

研究首先通过HS-SPME-GC/MS鉴定出561种挥发性有机物(VOCs)，发现XJ中挥发性硫化物(VSCs)占比高达45.98%，尤其是(E)-仲丁基丙烯基二硫含量达到201.06±136.12 μg/g，比DS高出61.91倍；而DS中则以萜类为主(44.01%)，其中柠檬烯含量达40.6±17.07 μg/g。UPLC-MS/MS检测显示，XJ中S-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜(alliin)等VSCs前体含量显著高于DS。转录组测序获得180,744个基因，鉴定出42,817个差异表达基因(DEGs)，KEGG分析显示半胱氨酸-蛋氨酸代谢和谷胱甘肽代谢通路在XJ中显著富集。

在VSCs合成通路方面，研究发现XJ中谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GSH)、γ-谷氨酰转移酶(GGT)和黄素单加氧酶(FMO)的协同上调是导致VSCs积累的关键。这些基因的表达水平与特征性前体物质S-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜的含量呈显著正相关。而在萜类合成方面，DS中香叶基香叶基焦磷酸合酶(GGPS)和法尼基焦磷酸合酶(FDPS)的高表达驱动了单萜和倍半萜的生物合成。研究还发现两种阿魏在甲羟戊酸(MVA)和甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)两条萜类前体合成通路上存在显著差异。

该研究首次绘制了阿魏属植物挥发性代谢的全景图谱，不仅为解释种间气味差异提供了分子依据，更为珍稀药用植物新疆阿魏的保护和可持续利用奠定了理论基础。发现的GGT、FMO等关键调控基因可作为品质改良的分子标记，而揭示的VSCs与萜类代谢网络则为特色香料作物的定向育种提供了新思路。这些发现对理解植物次生代谢多样性及其生态适应机制具有重要启示意义。