人参转录因子PgWRKY21和PgWRKY101调控原人参三醇型皂苷生物合成的分子机制

本研究针对人参皂苷生物合成调控机制不明的问题，通过整合代谢组与转录组分析，首次发现PgWRKY21和PgWRKY101能特异性结合PgPPTS1启动子W-box元件，激活其表达并显著提升原人参三醇型皂苷（Re/Rf/Rg1）含量。该研究为代谢工程改良人参皂苷生产提供了关键靶点，发表于《Infection, Disease》。

　　

人参作为"百草之王"，其核心活性成分人参皂苷具有抗肿瘤、抗氧化等多种药理活性。然而野生人参资源濒危，栽培周期长达5-7年，且皂苷含量受环境因素影响显著。更关键的是，调控皂苷生物合成的分子机制尚未完全阐明，特别是原人参三醇型皂苷（如Rg1、Re）的合成调控网络存在大量空白。这严重制约了通过代谢工程手段实现皂苷定向增产的可能性。

为解决这一科学难题，王平等研究团队在《Infection, Disease》发表最新成果，首次揭示WRKY转录因子家族成员PgWRKY21和PgWRKY101通过直接激活PgPPTS1基因表达，成为调控原人参三醇型皂苷合成的关键开关。研究创新性地整合多组学分析和基因工程手段，为药用植物活性成分的定向调控提供了范式。

研究采用三大关键技术：

1. 1.

   广泛靶向代谢组学(UPLC-MS/MS)定量分析愈伤组织、不定根和须根中62种皂苷

2. 2.

   转录组测序(RNA-seq)结合WGCNA共表达网络筛选关键调控因子

3. 3.

   分子互作验证体系(亚细胞定位、Y1H、双荧光素酶报告和转基因过表达)

【3.1 代谢组分析揭示组织特异性皂苷积累】

通过UPLC-MS/MS检测发现，愈伤组织(CA)中原人参三醇型皂苷Rg1、20(R)-Rg2含量显著高于不定根(AR)和须根(GR)，而C17侧链变异型皂苷在GR中富集。PCA分析显示三组样本明显分离，表明组织分化导致代谢通路重编程。

【3.2 转录组解析通路基因表达特征】

RNA-seq鉴定到14,695个差异基因，KEGG富集显示CA中CYP450和UGT基因显著上调。特别值得注意的是，编码原人参三醇合成酶(PgPPTS1/CYP716A53v2)的表达在CA中升高8.79倍，与其催化产物Rg1积累趋势一致。

【3.5 共表达网络锁定关键WRKY】

WGCNA分析发现MEantiquewhite4模块与PPT型皂苷强相关，包含16个WRKY转录因子。其中PgWRKY21(EVM0007787)与PgPPTS1表达相关性最高(r=0.9097)，进化树分析显示其属于III亚族，而PgWRKY101属于I亚族。

【3.7-3.9 分子机制验证】

亚细胞定位证实PgWRKY21/101定位于细胞核。Y1H实验显示二者能结合W-box顺式元件，双荧光素酶报告系统证实其可使PgPPTS1启动子活性提升4倍。转基因愈伤组织中，PgWRKY21过表达使PgPPTS1转录水平增加8.79倍，Rg1含量提高1.57倍。

【4.3 进化与功能分化】

研究发现尽管PgWRKY101与PgWRKY135同属I亚族，但后者丧失W-box结合能力，推测全基因组复制(WGD)导致功能分化。PgWRKY21启动子自身含有W-box，暗示可能存在WRKY级联调控网络。

这项研究首次绘制了人参不同组织皂苷合成调控图谱，发现PgWRKY21/101-PgPPTS1分子模块是优化原人参三醇型皂苷生产的关键靶点。不仅为理解植物三萜合成调控提供新视角，更为实现人参皂苷的合成生物学制造奠定了理论基础。研究建立的愈伤组织遗传转化体系，为其他难转化药用植物的基因功能研究提供了技术参考。未来通过编辑这些WRKY转录因子，有望培育出高产特定皂苷的人参新品种。