银杏古树复幼过程中黄酮与激素生物合成的生理及分子调控机制

为解决银杏古树衰老导致的生理功能衰退问题，研究人员通过连续嫁接复幼技术，系统研究了4,000年树龄银杏的叶片形态、黄酮含量及内源激素变化规律，结合转录组和小RNA测序揭示了关键基因（如GbCHS、GbPAL）和miR395-PCMP-H40/FAO1调控网络，为古树资源保护及药用成分高效生产提供理论依据。

　　

研究背景

银杏（Ginkgo biloba L.）作为"活化石"树种，其古树资源面临衰老导致的生理功能退化难题。4,000年树龄的古银杏表现出光合能力下降、激素紊乱和黄酮合成减少等典型衰老特征，严重影响其药用价值（黄酮含量决定叶片药用功效）和种质保存。虽然嫁接复幼技术能在苹果、梨等果树中恢复幼态特征，但银杏这类裸子植物的复幼机制尚未阐明，特别是调控黄酮（flavonoids）与激素（如IAA、GA、ZR）协同作用的分子网络仍是空白。

关键技术方法

研究团队采集山东莒县4,000年古银杏接穗，通过三代连续嫁接（S₁-S₃）构建复幼材料，以5年生实生苗（F/M）为对照。采用HPLC测定黄酮组分（槲皮素、山奈酚等），ELISA量化激素（IAA、ABA等）；基于Illumina HiSeq 2500平台开展转录组（16个文库）和小RNA测序，通过WGCNA构建共表达网络，结合qRT-PCR验证关键基因。

研究结果

1. 形态与生理变化

连续嫁接显著改变叶片形态：S₁代叶片裂刻数、面积达最大值（15.4 cm²），而S₂代总黄酮含量（21.69 mg/g）较古树（S₀）提升59.04%，接近幼树水平。激素检测显示IAA、GA、ZR含量随嫁接代次递增，ABA则下降30%，其中IAA/ZR比值与黄酮含量呈显著负相关。

2. 转录组调控网络

WGCNA鉴定出19个共表达模块，其中bisque4模块与叶片形态（r=0.92）、palevioletred3模块与生理指标强相关。枢纽基因包括：

• •

  叶片发育：MSTRG.15343（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）

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  代谢调控：Gb_00194（PCMP-H40，线粒体RNA编辑蛋白）

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  激素响应：Gb_00189（BAM1，富亮氨酸重复受体激酶）

3. 黄酮与激素通路

25个黄酮合成相关DEGs中，CHS（查尔酮合成酶）、FLS（黄酮醇合成酶）在S₂代表达峰值；36个激素相关基因中，GA20OX2（赤霉素20-氧化酶）和CKX（细胞分裂素氧化酶）显著上调，与激素测定结果一致。

4. miRNA-mRNA调控轴

小RNA测序发现3281个miRNA（含621个新miRNA），其中miR395通过靶向PCMP-H40和FAO1（铁结合蛋白）形成核心调控网络，其表达峰值出现在S₂代，可能通过抑制衰老相关基因维持幼态特征。

结论与意义

该研究首次阐明银杏嫁接复幼的分子机制：

1. 1.

   代次阈值：S₂代（二代嫁接）为黄酮积累峰值期，超过S₃代则出现"负复幼"现象；

2. 2.

   协同调控：黄酮合成（CHS/FLS）与激素（IAA/GA）通过miR395-PCMP-H40轴形成级联调控；

3. 3.

   应用价值：为古银杏资源保护及药用成分定向培育提供分子标记（如miR395），同时提示嫁接代次需控制在三代以内。

论文发表于《BMC Genomics》，其多组学整合策略为木本植物复幼研究树立了新范式。