通过对两种栽培的日本麦冬（Ophiopogon japonicus）品种进行转录组分析和代谢组学验证，发现了萜类化合物及黄酮类化合物生物合成过程中的组织特异性表达及品种间差异

《Plant Gene》：De novo transcriptome analysis with Metabolomic validation of two cultivated varieties of Ophiopogon japonicus reveals tissue-specific expression and varietal differences in Terpenoid and flavonoid biosynthesis

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  在O. japonicus中，组织身份而非品种背景是转录组差异的主要原因。
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  萜类化合物骨架的生物合成在纤维根中特别丰富。
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  黄酮类途径基因在CM-T中的转录量较高，但同黄酮类化合物在FM-T中积累更多，表明转录与代谢之间存在明显脱钩。
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  甾体皂苷在CM-T中的积累量较高，这提示块根中黄酮类和皂苷途径可能存在相反的关系。

引言

Ophiopogon japonicus（Linn. f.）Ker-Gawl.是一种广泛用于传统中医的多年生草本植物。其干燥的块根称为“麦冬”，富含生物活性化合物，包括甾体皂苷、同黄酮类化合物和多糖，这些化合物具有广泛的药理活性，如抗炎、抗氧化、心血管保护和免疫调节作用（Chen et al., 2016; Liu et al., 2023）。这些药用成分的积累受遗传因素和地理来源的影响。先前的研究表明，不同产区的O. japonicus之间存在显著的化学型差异（Lyu et al., 2020; Li et al., 2026）。即使在同一区域内，不同的栽培品种在相同的环境条件下也会表现出显著的代谢差异——例如，四川的直立型和匍匐型品种对干旱的反应不同，并且WRKY和C2H2转录因子的表达也有所不同（Cheng et al., 2025）。

在主要栽培区四川省，主要种植的两个注册品种是‘川麦冬1号’（CM）和‘富麦冬1号’（FM）。尽管这两个品种属于同一物种并且在相同的农业生态条件下栽培，但它们表现出不同的形态特征。然而，导致它们药用品质潜在差异的分子基础仍大多未被探索。迄今为止，关于O. japonicus的转录组研究主要集中在非生物胁迫响应（Cheng et al., 2024; Cheng et al., 2025; Zhao et al., 2022）或发育阶段（Liu et al., 2017）上，对于同一产区内品种之间的系统比较则关注较少。使用工程化的大肠杆菌系统，最近才开始对负责挥发性萜类化合物生物合成的萜类合成酶进行功能鉴定（Xu et al., 2024），而对次级代谢中品种差异的分子水平研究仍然缺乏。此外，尚未在转录水平上对这两种品种的不同器官（叶片、纤维根和块根）中组织特异性萜类（皂苷前体）和黄酮类（同黄酮类化合物）代谢的调控机制进行比较分析。

目前没有O. japonicus的参考基因组，这阻碍了基因发现和功能研究。基于高通量RNA-seq的转录组测序为非模式植物提供了一种有效的替代方法。在本研究中，使用Illumina配对末端测序技术对CM和FM品种的叶片、纤维根和块根组织进行了从头转录组组装和比较分析。为了克服仅依赖转录组分析的局限性，我们进一步进行了基于LC-MS/MS的目标代谢组学分析，以定量这两种品种块根中的16种代表性化合物（10种同黄酮类化合物和6种甾体皂苷）。本研究的目标是：（i）获得高质量的O. japonicus单基因集和功能注释；（ii）识别组织间和两种品种间的差异表达基因（DEGs），以揭示转录组差异的主要驱动因素；（iii）识别组织特异性和品种特异性的富集途径，重点关注萜类骨架和黄酮类化合物的生物合成；（iv）比较转录组和代谢组谱型，以评估转录差异是否会在块根中转化为相应的代谢变化。这些结果为理解次级代谢中品种差异的分子基础提供了有价值的转录组和代谢组资源，有助于未来的分子育种和O. japonicus品质改进。

节片

植物材料

田间实验在中国四川省绵阳市三台县永丰村（31.33°N, 104.88°E）进行，该地区是O. japonicus的主要生产区。2025年4月2日，两种品种在同一块田地中以6厘米×8厘米的种植密度种植。所有地块都采用了标准的农艺措施，包括施肥、灌溉和病害控制。植物材料由高级农艺师Dai Wei进行分类鉴定。

转录组测序和从头组装

30个文库的测序产生了1.44×10<sup>9</sup>个清晰读段（214.56 Gb），平均Q20和Q30得分分别为99.49%和98.55%，GC含量在45.77%到47.60%之间。使用Trinity进行从头组装后，得到了1,862,224个转录本，N50为988 bp。选择每个簇中最长的转录本作为代表序列后，获得了1,011,800个单基因，N50为759 bp。BUSCO完整性分别为转录本95.7%，单基因99.6%（表1）。

组织特异性转录差异是基因表达变异的主要原因

主成分分析、相关性热图和差异表达分析都得出了相同的结论：组织间的转录组差异远大于两个品种间的差异。这一观察结果与其他药用植物的研究结果一致，表明器官身份比品种或处理效应更能解释表达变异。

结论

在本研究中，我们对两个O. japonicus栽培品种的叶片、纤维根和块根组织进行了系统的转录组分析，并结合LC-MS/MS定量了16种代表性化合物。组织特异性转录差异是变异的主要来源，叶片中的光合途径丰富，纤维根中特别富集了萜类化合物骨架的生物合成，而CM-T中的黄酮类途径基因显著上调。

CRediT作者贡献声明

Jun Wang：撰写——初稿，资金获取，正式分析，数据管理。 Dan Zhao：方法学，数据管理。 Qianglong Lai：正式分析，数据管理。 Xiaolin Xie：数据管理。 Wei Dai：撰写——审阅与编辑。

Lin et al., 2010

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本研究中使用的RNA-seq数据已存入NCBI Short Read Archive（SRA）数据库，访问号为PRJNA1484716。

致谢

本研究主要得到了四川省科技计划（编号2025ZNSFSC1812；编号2026NXYZ0007）、中国农业农村部的农业研究系统（编号CARS-21）以及

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