《Plant Physiology and Biochemistry》：A Regulatory Network Revealing Spatial Distribution Differences of Alkaloids, Flavones, and Carbohydrates in Fritillaria thunbergii Bulbs by Multi-omics Analysis
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浙贝母（Fritillaria thunbergii）鳞茎中次生代谢物的空间分布模式存在显著差异，但其调控机制尚不明确。本研究将鳞茎分为内层（IS）和外层（OS），通过整合生理、转录组、代谢组和微生物组分析，系统阐明了生物碱、黄酮和碳水化合物的空间调控规律。结
浙贝母（Fritillaria thunbergii）鳞茎中次生代谢物的空间分布模式存在显著差异，但其调控机制尚不明确。本研究将鳞茎分为内层（IS）和外层（OS），通过整合生理、转录组、代谢组和微生物组分析，系统阐明了生物碱、黄酮和碳水化合物的空间调控规律。结果显示，OS中次生代谢物显著富集，总生物碱、贝母素甲（peimine）和总黄酮含量分别约为IS的1.18倍、1.28倍和1.24倍。相反，碳水化合物主要积累于IS，其中蔗糖和淀粉含量分别为OS的1.37倍和2.18倍。转录组分析表明，IS中碳水化合物的富集与蔗糖合酶（SUS）和己糖激酶（HK）基因的上调，以及β-淀粉酶3（BAM3）和转化酶（INV）的下调相关。在OS中，与甾体生物碱生物合成相关的基因——包括3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGCS）、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR）和法尼基二磷酸法尼基转移酶1（FDFT1），以及黄酮生物合成基因苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酰辅酶A连接酶（4CL）和细胞色素P450单加氧酶CYP75B1（CYP75B1）——均显著上调。此外，OS中富集的细菌类群（如放线菌门Actinomycetota和瘤胃球菌属Ruminococcus）与生物碱积累呈正相关，而真菌属曲霉Aspergillus可能与黄酮调控相关。综上，本研究通过多组学视角不仅为浙贝母鳞茎的区域特异性精细化加工提供了理论依据，也为通过调控宿主基因表达和微生物群落组成以提升药材品质开辟了新途径。
一、研究背景与意义
浙贝母（Fritillaria thunbergiiMiq.）是浙江省代表性道地药材“浙八味”之一，其鳞茎中主要活性成分包括甾体生物碱（如贝母素甲、贝母素乙）、黄酮及多糖等，具有清热化痰、散结消痈等功效，在临床尤其在新冠肺炎疫情期间显示出重要应用价值。在传统药用植物中，药理活性成分的空间分布异质性是一种常见现象，例如丹参、三分三等不同器官或组织间代谢物谱存在显著差异。然而，关于浙贝母鳞茎内部次生代谢物的空间分布格局及其形成机制，此前尚未得到系统阐明。随着多组学整合分析技术的发展，从基因、代谢物及微生物互作网络层面解析复杂生物学问题成为可能。因此，本研究旨在通过多组学联合分析，揭示浙贝母鳞茎内、外层在生物碱、黄酮及碳水化合物代谢上的空间分异规律及其调控网络，以期为该药材的精细化加工与品质提升提供理论依据。本研究成果发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。
二、主要技术方法
研究采用一年生“浙贝1号”栽培品种鳞茎，采自浙江省诸暨市陈宅镇国家林下经济示范基地。将鳞茎分为外层（OS，包括表皮及外皮层组织，厚度3.0 mm）与内层（IS，主要为内部储藏薄壁组织），各设3个生物学重复。研究整合了以下关键技术：1）生理指标测定：采用高效液相色谱-蒸发光散射检测法（HPLC-ELSD）测定生物碱含量，分光光度法测定总黄酮，乙醇提取-蒽酮法测定可溶性糖与淀粉；2）广泛靶向代谢组学：基于超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱（UHPLC-Q Exactive Orbitrap MS）平台鉴定并定量代谢物，通过偏最小二乘判别分析（PLS-DA）筛选差异代谢物（DAM）；3）转录组测序：利用Illumina平台进行RNA测序，通过DESeq2进行差异表达基因（DEG）分析，并进行KEGG通路富集；4）微生物组分析：提取样本微生物DNA，针对细菌16S rRNA基因V5–V7区与真菌ITS1–ITS2区进行扩增子测序，分析群落结构、多样性及与代谢物的相关性。
三、研究结果
3.1. 活性成分与碳水化合物的含量分析
OS中总生物碱、贝母素甲及总黄酮含量分别较IS提高17.6%、27.9%和24.2%，显示次生代谢物在外层显著富集。与之相反，IS中蔗糖与淀粉含量分别为OS的1.37倍和2.18倍，表明内层主要承担营养储藏功能。
3.2. 代谢组学分析
广泛靶向代谢组鉴定出1,298个代谢物，涵盖生物碱、甾体、黄酮及碳水化合物等8大类。OS vs IS比较共鉴定出89个差异代谢物，其中37个上调、52个下调。KEGG富集显示，OS中上调通路40%与次生代谢物生物合成相关，包括生物碱与黄酮合成；下调代谢物则涉及果糖-6-磷酸、蔗糖等碳水化合物。
3.3. 转录组学分析
转录组测序获得63,534个非冗余基因，PCA显示OS与IS样本明显分离。共鉴定19,136个差异表达基因（DEG）。KEGG富集表明，OS中黄酮与黄酮醇生物合成通路显著富集，IS中则富集淀粉与蔗糖代谢通路。关键基因如β-淀粉酶3在IS中显著下调，与淀粉高积累一致。
3.4. 糖代谢相关酶活性
IS中蔗糖合酶（SS）活性约为OS的1.47倍，而OS中酸性转化酶（AI）活性高达IS的6.52倍。β-淀粉酶活性在OS中显著高于IS，提示外层淀粉水解能力更强。
3.5. 微生物组分析
虽然内、外层间细菌与真菌的α与β多样性无显著差异，但群落组成存在特征性分异。在OS中，放线菌门（Actinomycota）与瘤胃球菌属（Ruminococcus）显著富集，且与生物碱含量呈正相关；真菌属曲霉（Aspergillus）在OS中富集，可能与黄酮代谢相关。共现网络分析显示，OS细菌互作更强，而IS真菌网络连接更紧密。
3.6. 转录组与代谢组整合分析
3.6.1. 淀粉与蔗糖代谢相关基因调控
IS中蔗糖合酶基因SUS与己糖激酶基因HK表达上调，而β-淀粉酶3基因BAM3与转化酶基因INV下调，共同促进蔗糖与淀粉积累。OS中INV与BAM3高表达加速了蔗糖与淀粉水解，碳流更多导向次生代谢。
3.6.2. 甾体生物碱与黄酮生物合成相关调控通路
OS中甾体生物碱合成关键基因HMGCS、DXR、FDFT1及下游修饰酶基因CYP710A均显著上调，与贝母素甲含量正相关。黄酮合成通路上游基因PAL、4CL及下游CYP75B1在OS中高表达，驱动黄酮富集。
3.7. 代谢组与微生物组相关性分析
Spearman相关分析显示，贝母素甲与瘤胃球菌属呈显著正相关，总生物碱与之类似；贝母素乙则与更多菌属相关。真菌中，贝母素甲与镰刀菌属（Fusarium）负相关，而贝母素乙与Plectosphaerella等正相关，表明不同生物碱与微生物互作模式各异。
四、讨论与结论
讨论：本研究揭示浙贝母鳞茎内、外层呈现明显的功能分化。OS作为与土壤环境直接接触的界面，其高表达的次生代谢基因与富集的微生物群落共同构建了化学防御屏障，可能通过激活甲羟戊酸途径（MVA）与甲基赤藓糖醇磷酸途径（MEP）关键基因（如HMGCS、DXR）及黄酮合成基因（如PAL、4CL、CYP75B1），驱动生物碱与黄酮的高效合成，从而增强对土传病原及逆境的适应。OS中富集的放线菌门与瘤胃球菌属与生物碱积累正相关，曲霉属可能与黄酮代谢存在互作，这些微生物可能通过信号分子间接调控宿主基因表达。IS则通过上调SUS、HK并下调BAM3、INV，建立“合成增强?降解抑制”的碳储存模式，大量积累蔗糖与淀粉，作为营养储备库。这种碳分配的空间异质性是导致内、外层代谢差异的重要内在机制。
结论：通过整合转录组、代谢组与16S rRNA测序的多组学分析，本研究系统阐明了浙贝母鳞茎内、外层组织的代谢异质性及其调控机制。内层（IS）通过上调蔗糖合酶（SUS）与己糖激酶（HK）基因、下调β-淀粉酶3（BAM3）与转化酶（INV）基因，建立了蔗糖与淀粉积累的高效碳储存模式。外层（OS）则呈现高度活跃的次生代谢特征，协同上调了生物碱生物合成关键基因（如HMGCS、DXR、FDFT1）以及黄酮生物合成必需基因（如PAL、4CL、CYP75B1）。微生物群落进一步贡献于此空间分化：OS中富集的类群如放线菌门（Actinomycota）与瘤胃球菌属（Ruminococcus）与生物碱积累呈正相关，而曲霉属（Aspergillus）物种可能与黄酮代谢及宿主?微生物互作有关。整体上，IS与OS形成功能特化的区室，IS作为碳与能量储库，OS则作为次生代谢与防御枢纽，这种分工反映了鳞茎增强对地下环境胁迫适应性的策略。从应用角度，富含关键生物活性代谢物的OS组织在精细化采收与加工中具有明显优势，为定向提升浙贝母药材品质提供了新思路。
