多组学揭示菊花‘滁菊’地道品质形成的分子调控机制

《Industrial Crops and Products》：Multi-omics reveals the molecular regulatory mechanisms underlying the formation of geo-authentic quality in Chrysanthemum morifolium ‘ Chuju’

　　

菊花（Chrysanthemi Flos，CF）是一种兼具药用、食用、文化及经济价值的花类药材。 flavonoids（黄酮类）、phenylpropanoids（苯丙烷类）、polysaccharides（多糖）及essential oils（挥发油）为其主要生物活性成分。其中，Chrysanthemum morifolium ‘Chuju’（CJ）作为优质栽培品种，其道地产区位于安徽滁州（CZ），以“金心玉瓣、翠蒂天香”闻名。本研究旨在探究土壤环境、根际微生物群落、植物基因表达与代谢物积累之间的关联，以阐明CJ地道品质形成的分子机制。研究人员从三个产区（滁州CZ、合肥HF、亳州BZ）采集花序及根际土壤样本，运用代谢组学、转录组学及土壤宏基因组学等多组学技术，结合土壤理化性质分析与关联网络构建，系统解析了影响CJ品质的多层级调控网络。研究发现，CZ产区土壤呈弱酸性、富含有机质和氮素，其根际微生物群落以Actinomycetota（放线菌门）和Arthrobacter（节杆菌属）为优势类群；CZ样本中苯丙烷代谢通路关键基因4CL、F3H、FLS表达上调，与高生物活性黄酮醇积累显著相关；而碱性土壤条件下，可溶性糖与黄酮含量呈负相关。土壤速效氮和pH被鉴定为影响品质差异的关键环境因子。该研究提出了“土壤-微生物-植物”关联模型，为理解药用植物地道品质形成机制提供了多组学层面的系统证据。

**论文解读：多组学揭示菊花‘滁菊’地道品质形成的分子调控机制**

**研究背景与科学问题**

地道药材（geo-authentic medicinal materials）是指特定产地所产、因独特地理环境与栽培加工方式而具有优良品质与疗效的药材。菊花（Chrysanthemi Flos, CF）作为药食同源植物，其不同品种在形态、化学成分和药理活性上存在显著差异。其中，菊花‘滁菊’（Chrysanthemum morifolium ‘Chuju’, CJ）作为优质品种，其道地产区位于安徽滁州（CZ），以“金心玉瓣、翠蒂天香”闻名，并获国家地理标志产品认证。然而，市场需求扩大导致非道地产区引种、品种混杂等问题，严重影响了CJ品质的一致性和临床疗效的可靠性。以往研究虽提示土壤条件影响植物品质，但土壤性质-微生物-基因表达-代谢物积累的完整链条如何驱动地道品质形成仍不清楚。为此，研究人员提出假设：道地产区（CZ）独特的土壤环境通过影响根际微生物群落结构，进而调节植物代谢通路，塑造CJ的地道品质。本研究旨在回答两个核心问题：（1）土壤环境如何通过影响根际微生物群落组装，与CJ中生物合成基因表达及关键活性代谢物积累相关联？（2）与非道地产区相比，道地产区（CZ）的土壤-微生物环境是否与更有利于生物活性化合物积累的代谢谱相关？

**研究内容与主要结论**

研究人员从三个产区——CZ（滁州）、HF（合肥）、BZ（亳州）——采集CJ花序及根际土壤样本，通过代谢组学、转录组学、土壤宏基因组学及土壤理化性质分析，系统比较了不同产区土壤特征、微生物群落结构、基因表达谱和代谢物积累模式，构建了多层级调控网络。主要结论如下：道地产区CZ土壤呈弱酸性、富含有机质和速效氮，其根际微生物群落以Actinomycetota（放线菌门）和Arthrobacter（节杆菌属）为优势类群，且功能注释显示该微生物组富集次级代谢物生物合成和聚糖代谢通路；CZ样本中苯丙烷代谢通路关键基因4CL、F3H、FLS表达上调，与高生物活性黄酮醇（如山柰酚、异槲皮苷、芦丁等）积累显著相关；氨基酸代谢方面，风味相关氨基酸和酚酸前体在CZ中含量较高；而BZ产区碱性土壤条件下，可溶性糖积累显著而黄酮类代谢物含量较低，呈现资源分配权衡。多组学整合网络分析鉴定出土壤速效氮（AN）和pH为两个核心环境因子，AN与有益微生物丰度、黄酮合成基因表达及黄酮醇积累呈正相关，而pH与蔗糖合成基因及胁迫响应代谢物正相关、与黄酮合成负相关。该研究提出了“土壤-微生物-植物”关联模型，为理解药用植物地道品质形成提供了系统性的分子证据，对CJ的合理引种和质量控制具有重要参考价值。该论文发表在《Industrial Crops and Products》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用多组学整合策略，主要包括：（1）土壤理化性质分析：测定pH、有机质（OM）、总氮（TN）、速效氮（AN）、总磷（TP）、速效磷（AP）、总钾（TK）、速效钾（AK）等指标；（2）土壤宏基因组测序：提取根际土壤DNA，构建文库后进行Illumina PE150双端测序，经组装、基因预测及功能注释（KEGG）分析微生物群落结构与功能；（3）植物代谢组学：采用UHPLC-QE-Orbitrap-MS非靶向代谢组学分析CJ花序提取物，结合标准品和数据库鉴定差异代谢物，并用HPLC对关键黄酮类化合物进行靶向定量；（4）转录组测序：提取花序RNA，构建cDNA文库后在Illumina HiSeq平台测序，通过HISAT2比对参考基因组，DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），并进行GO和KEGG富集分析。样本来自安徽滁州、合肥、亳州三个产区，每个产区设三个生物学重复，每个重复来自独立种植地块。

**研究结果**

**3.1 不同产区CJ总成分含量差异**
通过比色法测定总黄酮（TFC）、总酚（TPC）、总氨基酸（TAAC）和总水溶性糖（TWSSC）含量，发现TFC和TPC均呈现CZ > HF > BZ的顺序，TAAC为CZ > BZ > HF，TWSSC为BZ > CZ > HF。CZ样本具有最高TFC和TPC，而BZ样本TWSSC最高，表明地理环境因素（如海拔、纬度）与CJ化学成分积累相关。

**3.2 土壤特性与根际微生物群落差异分布**
土壤理化性质分析显示，CZ土壤为弱酸性（pH 6.65）、富含有机质和氮素；HF为中性（pH约7.0）、BZ为碱性（pH 8.33），且BZ和HF磷钾含量较高。宏基因组测序共鉴定1048575个微生物物种，CZ物种丰富度最高。α多样性指数（Shannon、Simpson、Chao1、ACE）显示CZ和BZ高于HF；β多样性分析（PCA、PCoA、NMDS、UPGMA）表明三个产区微生物群落显著分离，其中HF和BZ聚为一支，CZ单独成支。门水平上，Actinomycetota（放线菌门）在CZ相对丰度显著高于HF和BZ；属水平上，Arthrobacter（节杆菌属）在CZ占优。LEfSe分析鉴定出36个生物标志物，其中Micrococcales、Actinomycetes、Micrococcaceae、Actinomycetota、Arthrobacter等在CZ显著富集。功能注释显示CZ微生物组富集次级代谢物生物合成、聚糖代谢等通路，而HF和BZ更富集胁迫响应相关功能。冗余分析（RDA）表明，土壤pH、TN、AN、OM等与微生物群落结构显著相关，CZ的弱酸性、富氮有机质条件与Actinomycetota和Arthrobacter丰度正相关。

**3.3 代谢组学分析**
非靶向代谢组学共鉴定242个化合物，主要为黄酮类（62个，25.62%）、有机氧化合物（41，16.94%）、羧酸及衍生物（30，12.40%）和脂肪酸类（25，10.33%）。PCA和OPLS-DA显示三个产区代谢组显著分离。共筛选出105个差异积累代谢物（DAMs），其中87个（HF vs CZ）、87个（BZ vs CZ）和78个（BZ vs HF）。多数DAMs在CZ中含量较高，包括多数黄酮醇（如三叶豆苷、烟花苷、紫云英苷、异槲皮苷、槲皮苷、芦丁、槲皮素、杨梅素）、有机氧化合物（绿原酸、二氢咖啡酸）及氨基酸（组氨酸、酪氨酸、异亮氨酸、赖氨酸）。KEGG富集分析显示，“黄酮和黄酮醇生物合成”“黄酮类生物合成”“氨基酸生物合成”等通路显著富集。

**3.4 转录组学分析**
共获得64.89 Gb clean data，比对率超过75%，组装出138011个unigenes。PCA显示三个产区转录组分离明显。DESeq2分析鉴定出8079（HF vs CZ）、16850（BZ vs CZ）和16411（BZ vs HF）个DEGs，其中BZ vs CZ最多。GO富集分析显示“碳水化合物跨膜转运蛋白活性”“糖跨膜转运蛋白活性”等术语在所有比较组富集。KEGG富集分析表明，“苯丙烷生物合成”“黄酮类生物合成”“氨基酸生物合成”“淀粉和蔗糖代谢”等通路显著富集，同时“抗坏血酸和醛酸代谢”“谷胱甘肽代谢”“过氧化物酶体”等胁迫相关通路也富集。

**3.5 多组学整合分析**
整合转录组和代谢组的KEGG共同通路富集分析，发现主要共享通路涉及黄酮类、氨基酸和可溶性糖代谢。构建了苯丙烷生物合成、黄酮类生物合成、淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢等通路图。qRT-PCR验证了8个DEGs的表达模式与RNA-Seq一致；HPLC靶向定量7个苯丙烷和黄酮类化合物，验证了非靶向代谢组结果。分析关键通路：（1）氨基酸生物合成：CZ样本中组氨酸、酪氨酸、异亮氨酸、赖氨酸及酚酸前体（3,4-二羟基氢化肉桂酸、3,4-二羟基苯甲酸）含量最高，与CZ土壤富氮条件一致；BZ样本中天冬酰胺和2,5-二羟基苯甲醛积累，指示胁迫状态；HF中精氨酸和脯氨酸（渗透调节物质）含量最高。（2）碳水化合物生物合成：BZ样本中蔗糖合酶（SUS）基因表达上调，果糖和葡萄糖-1-磷酸积累，TWSSC最高；CZ中UDP-半乳糖含量最高，与聚糖代谢相关；HF中蔗糖转化酶（INV）表达较高。（3）苯丙烷生物合成：CZ中4CL、F3H和多数FLS基因表达上调，对应黄酮醇（三叶豆苷、烟花苷、紫云英苷、异槲皮苷、槲皮苷、芦丁、槲皮素、杨梅素）积累；而BZ和HF中PAL和C4H表达较高，但中下游基因（4CL、F3H）表达受限，导致芹菜素、木犀草素等黄酮中间体积累，黄酮醇水平较低。跨域关联网络分析（Mantel检验和Spearman相关）显示，土壤AN与Actinomycetota、Arthrobacter丰度、4CL/F3H/FLS表达、黄酮醇积累及TFC/TPC正相关；土壤pH与SUS表达和2,5-二羟基苯甲醛正相关，与黄酮合成负相关。由此提出“土壤-微生物-植物”关联模型：CZ的弱酸性富氮土壤促进有益微生物富集，上调黄酮合成基因，导致黄酮醇积累，形成高TFC、高TPC、高TAAC、中等TWSSC的地道品质特征。

**讨论与结论**

讨论部分围绕土壤理化性质与根际宏基因组、转录组与代谢组的系统响应、核心代谢通路调控及多组学整合网络展开。指出土壤速效氮和pH是影响CJ品质变异的关键环境因子，CZ的弱酸性富氮土壤与Actinomycetota和Arthrobacter富集相关，进而与苯丙烷代谢基因表达上调及黄酮醇积累关联；而BZ碱性土壤导致碳资源向可溶性糖分配，抑制黄酮积累。研究存在局限性：仅三个产区、样本量有限，且为相关性研究，无法推断因果关系，未来需通过土壤操控、微生物接种或转基因验证。结论部分总结：CJ地道品质与土壤条件、根际微生物群落和植物内源代谢的相互作用相关；CZ土壤特征（弱酸性、高氮、富有机质）伴随Actinomycetota和Arthrobacter富集，上调4CL、F3H、FLS基因表达，促进黄酮醇积累；而BZ碱性条件下可溶性糖积累增加而黄酮类减少。整合分析支持“土壤-微生物-植物”调控框架，为地道品质形成机制提供了多组学证据。