辐射特异性代谢重编程驱动蒙古黄芪产量-品质平衡：γ射线与重离子束辐照的比较研究

为解决药用植物栽培中生物量积累与次生代谢产物合成的固有矛盾，中国科学院近代物理研究所团队开展γ射线(GR)与重离子束(HIB)辐照蒙古黄芪(Astragalus mongholicus)的比较研究。通过整合转录组和代谢组分析，发现GR辐照使鲜根重提升200%的同时增加20.2%黄酮含量，而HIB更显著调控氨基酸代谢和次生代谢通路。该研究为辐射技术在药用植物精准改良中的应用提供理论依据，发表于《Plant Stress》。

　　

在传统中医药宝库中，蒙古黄芪(Astragalus mongholicus)的干燥根部作为"补气圣药"已沿用两千余年。现代研究揭示其富含的黄酮类化合物具有免疫调节、抗衰老等多重药理活性，不仅被《美国药典》收录为膳食补充剂，还广泛应用于功能食品和化妆品领域。然而随着野生资源枯竭，人工栽培黄芪面临严峻的"产量-品质悖论"——集约化种植虽提高产量，却导致黄酮含量下降30%-50%。常规农艺措施如微生物有机肥、密度调控等往往顾此失彼，难以实现协同提升。

面对这一产业瓶颈，中国科学院近代物理研究所团队独辟蹊径，将核农业技术引入药用植物栽培领域。研究团队基于"辐射兴奋效应"理论假设，系统比较了两种典型电离辐射——γ射线(GR)与重离子束(HIB)对黄芪生长代谢的差异化调控机制。GR作为低传能线密度(LET)辐射，通过均匀能量沉积诱发温和应激；而高LET的HIB(¹²C⁶⁺离子，LET=34 keV·μm^-1)则以"布拉格峰"效应产生局部高密度电离。这种物理特性的本质差异，为解析辐射类型与植物代谢响应的构效关系提供了理想模型。

研究采用多组学联用策略，在甘肃定西道地产区开展田间试验。对"陇芪4号"种子分别施加200 Gy剂量GR和HIB辐照，通过UPLC-MS/MS非靶向代谢组和DNBSEQ转录组测序，结合表型组学系统评估辐射效应。

3.1 根性状变化

GR处理使鲜根重激增200%，主根直径增加31.5%，且侧根形态符合药典标准；HIB仅使鲜根重提高32.4%。显微结构显示GR增强纤维组织发育，而HIB导致细胞壁重构。

3.2 色泽与黄酮含量

色度分析揭示辐照根粉a值(红度)降低、b值(黄度)升高。GR处理使总黄酮含量提升20.2%，显著高于HIB组。

3.3 代谢重编程特征

代谢组PCA显示处理间明显分离。HIB诱导336个差异代谢物(DEMs)，显著影响氨基酸代谢；GR特异性上调58个DEMs，其中黄酮类占22%。KEGG分析显示GR优先激活苯丙烷代谢通路，而HIB广泛干扰色氨酸代谢。

3.5-3.6 转录调控网络

HIB引起18,220个差异基因(DEGs)，GR诱导13,320个。GO分析显示HIB显著富集细胞壁代谢相关基因，GR则激活生长素(AUX)外排通路。关键发现包括：

• •

  生长素信号通路中AUX1、TIR1在GR组表达量达HIB组的1.5倍

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  苯丙氨酸解氨酶(PAL)家族基因被两种辐射共同上调

• •

  GR特异性促进查尔酮合成酶(CHS)表达，其下游产物根皮素增加3倍

3.8 黄酮合成机制

多组学整合揭示GR通过"AUX信号-PAL激活-黄酮累积"级联反应实现协同调控：

1. 1.

   生长素转运蛋白AUX1上调促进根系发育

2. 2.

   PAL、4-香豆酸-CoA连接酶(4CL)激活苯丙烷代谢流

3. 3.

   CHS、查尔酮异构酶(CHI)引导碳源向黄酮分支分配

4. 4.

   异黄酮合成关键酶HIDH3促进毛蕊异黄酮积累

讨论部分指出，该研究首次阐明辐射类型与代谢调控的"锁钥关系"：GR因其能量沉积特性更适于促进初级代谢和主要活性成分(如黄酮)积累；而HIB在复杂次生代谢网络调控中展现独特优势。技术经济分析显示，基于现有⁶⁰Co辐照装置的GR预处理技术推广成本仅HIB的1/20，更适合农业应用。

这项研究为突破药用植物"高产低质"困境提供了创新解决方案，同时建立了辐射农业的"剂量-效应-机制"研究范式。未来研究将聚焦多代稳定性评估和辐照-环境互作机制，推动辐射育种技术在中药农业的产业化应用。