基于转录组与代谢组联合分析揭示薯蓣属植物次生代谢产物积累的分子机制

本研究针对薯蓣属植物中具有重要药理活性的皂苷类成分含量差异机制，通过整合转录组与代谢组学技术，对比分析了盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensis)与怀山药(D. opposita)的基因表达谱和代谢物积累模式。研究发现28个差异表达基因(DEGs)与甾体生物合成通路显著相关，筛选出3个关键糖基转移酶基因(UGT80A2、UGT80B1、URT1)与薯蓣皂苷(dioscin)合成呈正相关，为薯蓣属药用植物育种和活性成分生物合成提供了重要分子靶点。

　　

薯蓣属植物作为传统中药材，其块茎富含具有抗肿瘤、降血糖等多种药理活性的甾体皂苷类成分，其中薯蓣皂苷(dioscin)及其水解产物薯蓣皂苷元(diosgenin)尤为珍贵。然而，不同薯蓣物种间皂苷含量存在显著差异，如盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensis)的皂苷含量可达怀山药(D. opposita)的十倍以上。这种含量差异的分子机制尚不明确，特别是胆固醇骨架氧化、羟基化和糖基化修饰等下游合成途径的关键基因仍有待解析。

为揭示薯蓣属植物次生代谢的调控网络，研究人员在《BMC Plant Biology》发表的研究中，选取皂苷含量差异显著的盾叶薯蓣(高含量组)和怀山药(低含量组)为材料，采用高效液相色谱(HPLC)定量分析40个薯蓣品种的皂苷含量，结合Illumina HiSeqTM 2500平台转录组测序和GC-MS代谢组学技术，通过KEGG通路富集、差异基因/代谢物关联分析等生物信息学方法，系统解析了皂苷生物合成的分子基础。

关键技术方法包括：1) 采用"酸水解法"测定40个薯蓣品种块茎中diosgenin和dioscin含量；2) 对高/低含量组进行RNA-seq测序(Q20>97%，基因组比对率>81%)，筛选9,782个差异表达基因(DEGs)；3) GC-MS检测1,010种代谢物，鉴定212个差异积累代谢物(DAMs)；4) 整合分析发现甾体生物合成、类黄酮合成等通路显著富集；5) qRT-PCR验证候选基因表达模式。

Contents of Diosgenin and Dioscin in rhizome of different species

HPLC分析显示，盾叶薯蓣(DZ)的diosgenin(5.1720 mg/g)和dioscin(0.4830 mg/g)含量显著高于怀山药(GY)(0.5516 mg/g和0.0420 mg/g)，证实其作为高皂苷含量材料的优势。

Analysis of transcriptomic data

转录组测序鉴定出14,040个基因，其中9,782个差异表达基因(6,186上调/3,596下调)。KEGG分析显示次级代谢物生物合成、苯丙烷代谢、光合作用等通路显著差异，特别是28个DEGs与甾体生物合成相关。

Analysis of metabolomic data

代谢组检测到1,010种代谢物，212个DAMs(52上调/160下调)主要富集于次级代谢物生物合成(32种)、氨基酸(17种)和甾体生物合成(2种)等通路。其中三萜骨架生物合成、类黄酮合成和甾体生物合成通路显著激活。

Correlation analysis between the transcriptomic and metabolomic data

联合分析发现J5N97_024139(UGT80A2)、J5N97_022450(UGT80B1)和J5N97_004795(URT1)三个糖基转移酶基因与dioscin合成呈显著正相关(R>0.9)。qRT-PCR验证这些基因在DZ中高表达，提示其可能催化薯蓣皂苷元C3-OH位葡萄糖基化和鼠李糖基化修饰。

Screening genes involved in Dioscin biosynthesis

通过FPKM值和表达模式筛选，最终确定UGT80A2(催化固醇3-β-葡萄糖基化)、UGT80B1(偏好非支链甾体底物)和URT1(UDP-鼠李糖转运蛋白)是dioscin生物合成的关键候选基因。

该研究首次通过多组学整合揭示了薯蓣属植物皂苷含量差异的分子基础，发现全基因组复制(WGD)事件可能是盾叶薯蓣皂苷高积累的进化驱动力。鉴定的糖基转移酶基因为代谢工程改造提供了重要靶点，通过调控这些基因的表达，有望突破药用植物活性成分低合成的瓶颈。研究成果不仅为薯蓣属药用植物育种奠定分子基础，也为其他经济作物的品质改良提供了新思路。