基于转录组与代谢组联合分析揭示羌活种子休眠解除的分子机制及植物激素调控网络

本研究针对濒危高原药用植物羌活(Notopterygium incisum)种子存在的形态和生理双重休眠难题，通过变温层积处理结合多组学技术，系统揭示了其休眠解除过程中植物激素信号转导（ABA/GA/IAA）、碳水化合物代谢（淀粉/蔗糖转化）以及苯丙烷/黄酮类生物合成途径的协同调控机制，为羌活种质资源保护和产业化栽培提供了关键理论依据。

　　

羌活作为我国高原特有的濒危药用植物，具有抗炎、镇痛、抗心律失常等重要药理活性。然而其种子存在形态休眠（MD）和生理休眠（PD）的双重特性，自然发芽率极低，严重制约了人工规模化种植。虽然前期研究表明变温层积处理可有效解除休眠，但分子层面的调控机制始终不明。为此，赵文龙团队在《BMC Genomics》发表了联合多组学的研究成果，系统揭示了羌活种子休眠解除的动态调控网络。

研究人员通过模拟自然层积过程，设置5个关键时间点（MD0未层积、MD90形态休眠期、PD180生理休眠期、PD210休眠解除期、G210发芽期），结合胚胎形态观察、生理指标检测、转录组测序和广泛靶向代谢组学技术，构建了休眠解除过程的动态基因表达和代谢物积累图谱。关键技术包括：变温层积处理（20℃/4℃ 90天+4℃ 120天）、Illumina NovaseqTM 6000转录组测序（de novo组装获得110,539个差异基因）、LC-MS/MS代谢组学（鉴定1656种差异代谢物）、植物内源激素ELISA检测（ABA/GA₃/IAA）以及qRT-PCR验证。

胚胎形态与生理指标变化

层积处理使胚胎从初始未分化状态（MD0）逐步发育为心形胚（PD180）直至子叶型胚（G210）。淀粉含量持续下降而可溶性糖呈"W"型变化，蛋白质在层积后期显著积累。激素检测显示ABA含量持续下降，GA₃和IAA在发芽期显著上升，ABA/GA₃和ABA/IAA比值在G210期降至最低。

转录组调控网络特征

KEGG分析显著富集到植物激素信号转导、淀粉蔗糖代谢、苯丙烷和黄酮生物合成通路。ABA信号通路中PYR/PYL受体和SnRK2激酶表达上调，而负调控因子PP2C（ABI1）和ABF（ABI5）在发芽期下调；GA信号通路中GID1B受体上调而DELLA蛋白（GAI, RGL1）下调；IAA信号通路中AUX/IAA和SAUR家族基因显著激活。

代谢组与多组学联合分析

苯丙烷代谢物（对香豆酸、松柏醛）在层积过程中积累减少，而黄酮类物质（槲皮素、芦丁）在发芽期显著增加。转录-代谢关联分析发现PAL、4CL、CHS等关键基因与代谢物积累高度相关。例如查尔酮合成酶CHS与下游代谢物柚皮素查尔酮在发芽期同步上调，表明黄酮合成通路被激活。

研究结论表明：羌活种子休眠解除是通过激素平衡重构（ABA降解/GA积累）、能量代谢重编程（淀粉水解为可溶性糖）以及次生代谢物动态调整（苯丙烷代谢抑制/黄酮合成激活）实现的协同过程。该研究不仅首次绘制了羌活种子休眠解除的多组学调控图谱，更为珍稀药用植物种质资源保护和人工栽培提供了精准的分子干预靶点。