《Frontiers in Plant Science》：Quantification of cyanogenic glycoside content and correlational pest pressure in American elderberry genotypes
编辑推荐：
植物已进化出多种防御性分子以应对不利环境因素。部分植物利用氰苷（cyanogenic glycosides, CNGs），其可在机械损伤时被迅速水解为剧毒性氢氰酸，从而通过称为植物生氰作用（plant cyanogenesis）的过程为广食性植食动物营造不利的
植物已进化出多种防御性分子以应对不利环境因素。部分植物利用氰苷（cyanogenic glycosides, CNGs），其可在机械损伤时被迅速水解为剧毒性氢氰酸，从而通过称为植物生氰作用（plant cyanogenesis）的过程为广食性植食动物营造不利的摄食环境。对于快速兴起的经济作物美国接骨木（Sambucus nigra subsp. canadensis）的植物生氰作用，目前仍知之甚少。由于美国接骨木易受多种病虫害侵袭，了解该物种中氰苷是否与植食性及病原体抗性相关，对品种选育至关重要。研究人员利用超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱（UHPLC-MS/MS）评估了12个美国接骨木基因型叶片组织中氰苷含量的定量与定性多样性。随后将总氰苷及单一氰苷浓度与田间表现数据进行比较，以更好地理解病虫害发生的潜在基础。研究表明，不同基因型间的害虫压力存在差异，叶片中总氰苷和单一氰苷浓度升高与田间植株的植食损害及病害发生率降低存在相关性。因此，叶片氰苷浓度可作为培育抗植食性及抗病原体美国接骨木栽培品种的潜在标志物。研究人员进一步提供了植物化学证据，表明美国接骨木同时产生脂肪族和芳香族氰苷，这一现象极为罕见。对新近生成的美国接骨木基因组序列开展进一步研究，为两种生物合成途径的存在提供了补充的遗传证据。
美国接骨木（Sambucus nigra subsp. canadensis）是原产于北美中西部和东部的新兴特色经济作物，因其果实富含花青素等健康促进物质而受到重视，但也对多种害虫和病原菌高度敏感。植物在长期进化中形成了复杂的化学防御体系，其中氰苷（cyanogenic glycosides, CNGs）是常见的一类防御性次生代谢物。当植物组织因昆虫取食或病原菌侵染而受损时，储存在液泡中的CNGs与胞内β-葡萄糖苷酶接触，水解并释放剧毒的氢氰酸（HCN），这一过程称为植物生氰作用（plant cyanogenesis）。已有研究证实，高粱、木薯和利马豆等作物中较高的生氰潜力可降低广食性害虫的取食压力。然而，美国接骨木中的生氰作用研究极为有限，此前仅鉴定出其含有五种化学结构不同的CNGs，不同基因型间叶片CNG含量是否存在差异，以及这些差异是否与田间病虫害压力相关，均属空白。为此，研究人员提出四个关键问题：不同美国接骨木基因型是否均含有此前报道的五种CNGs？不同地理来源的基因型能否按总CNG含量区分为低/高生氰潜力类型？基因组中是否同时存在芳香族和脂肪族CNG生物合成通路？总CNG或单一CNG含量是否与田间日本甲虫、瘿螨及叶斑病危害呈负相关。
研究人员利用超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱（UHPLC-MS/MS）对来自美国8个州的12个基因型叶片中五种CNGs进行定性和定量分析，并将所得浓度与密苏里大学两个试验站多年田间采集的病虫害数据进行Pearson相关分析。同时，利用美国接骨木“Bob Gordon”基因型的参考基因组进行tBLASTn同源搜索，寻找已知CNG合成途径中细胞色素P450酶（Cytochrome P450, CYP）的编码基因。研究发现，总CNG和特定单一CNG浓度与多种病虫害损害呈显著负相关，且基因组证据支持该物种同时存在芳香族和脂肪族CNG合成相关基因，这种化学多样性在植物中极为罕见。因此，叶片CNG浓度可作为开发抗虫抗病美国接骨木品种的潜在分子标记。
关键技术方法方面，样本队列包括12个美国接骨木基因型，分别来自明尼苏达、威斯康星、爱荷华、堪萨斯、密苏里、阿肯色、俄克拉荷马和佛罗里达州，于2022年以克隆繁殖苗定植于密苏里大学西南研究与推广中心（SWC）和园艺与农林业研究农场（HARF）。叶片经冻干、80%甲醇提取后，加入内标伞形酮，采用UHPLC-MS/MS多反应监测模式同时定量苦杏仁苷、高粱苷、亚麻苦苷、桑布苷和野樱苷五种CNGs，外标法定量。使用tBLASTn将已知CNG合成酶氨基酸序列与参考基因组比对以推定同源基因；使用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验比较基因型间差异，用Pearson相关评估CNG含量与损害等级的关系。
研究结果分为以下几方面。
相对定量丰度：通过UHPLC-MS/MS检测发现，苦杏仁苷（amygdalin）在所有12个基因型中均存在，其中Coop含量（94.01 μg/g）显著高于其他基因型，Ranch最低（0.56 μg/g）。高粱苷（dhurrin）也存在于所有基因型中，且多数基因型中其含量高于苦杏仁苷，Hamilton（14.51 μg/g）和Coop（11.72 μg/g）显著最高；亚麻苦苷（linamarin）含量较低，且未在Cherokee和Rogersville中检出。
立体异构体区分：检测了桑布苷（(S)-prunasin）和野樱苷（(R)-prunasin）。桑布苷存在于所有基因型中，其中Coop的浓度极高（18,816.73 μg/g），远高于其他基因型（0.67–1.71 μg/g）；野樱苷在11/12个基因型中检出，Hamilton含量最高（27.92 μg/g），Coop未检出。
总CNG含量具有基因型特异性：Coop的总CNG含量高达18,923.38 μg/g，是第二名Hamilton（44.37 μg/g）的400余倍，East Grove（13.13 μg/g）位列第三，Rogersville和Cherokee最低，分别为6.78和4.95 μg/g。统计检验显示Coop、Hamilton和East Grove显著高于其余基因型。
基因组中含有推定芳香族和脂肪族CNG合成相关CYP同源序列：对6个已知CYP酶进行tBLASTn搜索，所有查询均在美国接骨木参考基因组中找到得分较高、期望值（E值）极低的同源序列，氨基酸一致性为42%–62%，相似性最高达79%，表明芳香族（dhurrin、prunasin）和脂肪族（linamarin）生物合成途径的相关基因可能均存在于该物种基因组中。
病虫害抗性差异：2023和2024年SWC数据显示，Coop、Bob Gordon和Hamilton对日本甲虫的损害最少，Ranch受害最重；2024年Cherokee和Dandy对瘿螨最为敏感，Hamilton、East Grove、Pocahontas和Barber较轻；2025年HARF数据显示，Hamilton和Pocahontas的瘿螨损害最低，Cherokee和Ranch最高。Hamilton在2023年同时表现出较低的日本甲虫、瘿螨和叶斑病损害。
相关性分析：Pearson分析显示，2023年总CNG含量与日本甲虫损害显著负相关（r=-0.33）；dhurrin与日本甲虫损害在2023年（r=-0.40）和2024年（r=-0.22）均显著负相关；linamarin与2023和2024年瘿螨损害显著负相关，dhurrin与2025年瘿螨损害显著负相关（r=-0.49）；dhurrin还与2024年叶斑病损害显著负相关。不同CNG与不同病虫害的关联模式提示，化学结构不同的CNG可能具有差异化的防御功能，但相关性并不等同于因果关系。
讨论部分指出，美国接骨木同时产生脂肪族和芳香族CNGs极为罕见，这为研究不同结构CNG是否对不同害虫具有差异化防御作用提供了独特机会。尽管研究存在样本年限和位点限制、不同观察者使用的损害分级尺度略有差异、叶斑病未区分真菌/细菌来源等局限性，但总体结果表明，叶片CNG浓度升高与田间害虫和病害压力降低相关。高CNG基因型如Coop、Hamilton和East Grove可作为抗性育种的候选材料，尤其Hamilton在多个季节均表现出较低的病虫害损害。未来的研究需进一步确认高CNG基因型在可食用组织中的CNG含量是否仍然安全，以期筛选出叶部高CNG而果实低CNG的优良品种。研究结论可翻译为：美国接骨木叶片总氰苷和单一氰苷浓度与田间植食性害虫和病害发生率降低存在相关性，因而叶片氰苷浓度可作为选育抗虫抗病栽培品种的潜在标志物；该物种同时具备芳香族和脂肪族氰苷生物合成途径的植物化学及遗传学证据，这种组合在植物界中极为罕见。
