光周期通过协调的转录与基因-代谢物调控网络驱动工业大麻（Cannabis sativa L.）花中大麻素（cannabinoids）和黄酮类（flavonoids）生物合成

《Plant Physiology and Biochemistry》：Photoperiod drives cannabinoid and flavonoid biosynthesis via coordinated transcriptional and gene-metabolite regulatory networks in industrial hemp ( Cannabis sativa L.) flowers

　　

光周期驱动大麻花中黄酮类（flavonoids）与大麻素（cannabinoids）的协同积累。
共表达网络揭示3个基因模块（ME1、ME2和ME3）。
ME3与CBDA和CBD呈最大正向关系。
揭示萜类（terpenoid）、苯丙烷类（phenylpropanoid）与黄酮类（flavonoid）通路之间密集的拓扑结构。
黄酮类通路基因在延长光周期下均上调。

研究背景：大麻（Cannabis sativa L.）是早期驯化的一年生雌雄异株作物，按Δ⁹-四氢大麻酚（Δ⁹-tetrahydrocannabinol，THC）含量分为工业型（<0.3%）和药物型（>0.3%）。工业大麻曾用于油籽、纤维和医药，其药用活性物质包括大麻素（cannabinoids）和黄酮类（flavonoids）等，主要储存于花和叶，尤其花中。大麻为短日植物，光周期是影响作物发育和次生代谢的关键环境因素；已有研究报道延长光周期可促进大蒜、甘薯、黄瓜等次生代谢物合成，并激活黄酮通路基因，但工业大麻花对生长季延长光周期的响应及黄酮生物合成基因响应仍不清楚。因此研究人员采用多组学解析光周期对花中大麻素和黄酮积累及相关基因表达的影响。

关键技术方法：供试品种LN6来自中国农业科学院麻类研究所。筛雌株扦插盆栽，设8 h（S8F）、10 h（S10F）、12 h（S12F）光周期，恒定光合光子通量密度（PPFD）460 μmol m^-2 s^-1，对应日累积光积分（DLI）约13.2、16.6、19.9 mol m^-2 day^-1；每处理30株、完全随机、三次独立重复。花样以高效液相色谱（HPLC）测大麻二酚（cannabidiol，CBD）、THC、大麻二酚酸（cannabidiolic acid，CBDA）和大麻二酚戊酸（cannabidivarinic acid，CBDV），分光光度法测总酚、总黄酮、原花青素和花青素，超高效液相色谱-质谱（UHPLC-MS）代谢组（每处理8个独立生物学和技术重复，共24样本），转录组测序（RNA-seq），实时定量PCR（qRT-PCR）验证差异基因，并行共表达网络和Spearman基因-代谢物网络分析。

研究结果：
3.1 不同光周期及相应DLI对大麻素组分的影响：HPLC显示S10F和S12F的CBD最高（11.04±2.03%和10.30±1.52%），S8F最低（9.08±1.31%）；CBDA和CBDV也以S8F最低；THC随光周期延长升高但仍<0.3%。结论：延长光照时长在一定程度上与大麻素含量正相关。
3.2 多酚组分分析：分光光度法显示总酚无显著差异；总黄酮S12F最高（442.83 μg/g）、S8F最低（378.10 μg/g），原花青素S12F最高（235.27 μg/g）、S8F最低（195.77 μg/g），花青素无显著差异。结论：总黄酮和原花青素随光照延长增加。
3.3 代谢物谱分析：UHPLC-MS鉴定3093个代谢物，以cannabinoids相关（865，27.97%）、prenol lipids（763，24.67%）、organooxygen compounds（308，9.96%）、flavonoids（285，9.21%）和羧酸及其衍生物（223，7.21%）为主；PCA的PC1和PC2分别解释31.5%和10%，合计>40%。结论：光周期处理改变花代谢谱。
3.4 光周期时长对工业大麻花中差异积累代谢物的影响：采用VIP>1且P<0.05筛选差异积累代谢物（DAMs），S8F vs S10F为701个（311上/390下），S8F vs S12F为783个（412上/371下），S10F vs S12F为664个（374上/290下）；KEGG富集涉及苯丙烷生物合成、黄酮生物合成和酪氨酸代谢等，三组合并后黄酮生物合成最显著。结论：光周期显著影响多种次生代谢物及黄酮相关通路。
3.5 转录组分析及差异表达基因（DEGs）：RNA-seq比对率>91%，生物学重复相关系数≥0.97，PCA前两主成分>76%；共鉴定1568个DEGs，S8F vs S12F最多（927个，164上/763下），S10F vs S12F最少（101个）；k-means分为10簇，743个DEGs随光周期延长持续激活，157个持续下降。结论：延长光周期总体激活更多基因。
3.6 DEGs的功能富集分析：GO和KEGG富集显示，S8F vs S12F中黄酮生物合成过程（GO:0009813）进入前20；KEGG最富集项为其他次生代谢物生物合成，包括黄酮、黄酮醇和苯丙烷生物合成，三比较组分别涉及19、31和6个DEGs。结论：DEGs富集于黄酮和苯丙烷相关通路。
3.7 不同光周期处理下工业大麻花的转录组与代谢组联合分析：联合分析显示，S8F vs S12F共有DAM/DEG最多；KEGG富集包括黄酮生物合成、苯丙烷生物合成、植物激素信号转导、倍半萜和三萜生物合成等。结论：光周期对黄酮积累影响突出，并伴随大麻素提高。
3.8 整合多组学分析揭示光周期调控的代谢网络：3.8.1 共表达网络分析：得到ME1（801）、ME2（199）、ME3（119）三个模块；ME1与总黄酮（r=0.527）和原花青素（r=0.808）正相关，富集CHS、CHI、F3H、DFR、LAR；ME3与CBDA（r=0.858）和CBD（r=0.532）正相关，含萜类/大麻素及苯丙烷基因；ME2富集胁迫/信号基因如MYB113-like。结论：黄酮和大麻素积累受协调表达模块调控。3.8.2 基因-代谢物相关网络揭示协调的通路调控：网络含120节点、1367边，黄酮相关基因形成最大簇（UGT88A1、LAR、AN3、FLS、CHI2、ANS、CHS）；CHS与萜类及黄酮终产物相关，LAR与原花青素相关；OSCBPY、LUS1、CBDAS、HPT1、GDS形成萜类/大麻素亚网络，CBDAS与CBD/CBDV相关，SAT中心性最高。结论：萜类、苯丙烷和黄酮通路存在密集交叉调控。
3.9 光周期衍生的黄酮与萜类/大麻素生物合成基因协调调控：qRT-PCR验证显示CHS、CHI、F3H、FLS、DFR、LAD、UGT88A随8→12 h表达升高，UGT3相反；热图显示黄酮基因S8F低、S10F中、S12F高；萜类/大麻素基因响应不一，CBDAS和GDS在较长光周期上调，OSCBPY和LUS1反应温和。结论：黄酮通路基因在延长光周期下一致上调，大麻素/萜类基因呈异质响应。

讨论与结论：讨论认为多组学有助于解析大麻特殊代谢；光周期作为开花和代谢信号，LN6可归为化学型III（chemotype III）；黄酮合成受COP1/HY5及MYB/bHLH/WD40等调控，共表达表明通路呈网络而非线性级联；因恒定PPFD下DLI随光周期增加，观察效应为光周期和DLI联合效应，需恒定DLI及多品种验证；结果还提示光周期管理可同时提升多类高值次生代谢物。研究结论翻译：本研究在恒定PPFD下，利用转录组和代谢组数据研究了光周期对工业大麻（C. sativa cv. LN6）花中大麻素和黄酮积累的影响，并解析了黄酮和大麻素生物合成相关不同基因的响应。结果表明，光照时长是调节大麻花多种特殊代谢物的关键因素。延长光照时间不仅提高大麻素水平，也促进黄酮积累，为通过优化栽培提高工业大麻品质和治疗潜力提供了可行方法。这些发现加深了对光周期如何调控工业大麻代谢网络的理解，并为在控制系统中通过光周期管理提高该品种类型高价值代谢物合成提供了实践意义。然而，仍需更多研究确定这些效应在不同品种和不同条件下的更广泛适用性。