《Molecules》：Comparative Transcriptomic Analysis Provides Insights into PSK-α-Mediated Regulation of Diosgenin Biosynthesis in Trigonella foenum-graecum
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薯蓣皂苷元是一种重要的甾体皂苷元，广泛用于甾体药物的工业化生产。植物硫肽激素-α（phytosulfokine-α，PSK-α）是一种硫酸化五肽激素，已知可调节植物生长、发育和胁迫响应。然而，其在薯蓣皂苷元生物合成调控中的作用仍不清楚。研究人员用PSK-α处理
薯蓣皂苷元是一种重要的甾体皂苷元，广泛用于甾体药物的工业化生产。植物硫肽激素-α（phytosulfokine-α，PSK-α）是一种硫酸化五肽激素，已知可调节植物生长、发育和胁迫响应。然而，其在薯蓣皂苷元生物合成调控中的作用仍不清楚。研究人员用PSK-α处理胡芦巴幼苗，通过代谢物谱分析和比较转录组学分析研究其对薯蓣皂苷元生物合成的影响。PSK-α诱导了薯蓣皂苷元积累的动态响应，表现为处理早期先下降、随后逐渐增加，与相应的随机五肽对照相比，处理10天和15天后薯蓣皂苷元积累最终分别增加61.4%和72.1%。对处理5天和15天的PSK-α幼苗与相应对照进行比较转录组分析，鉴定了参与薯蓣皂苷元生物合成、PSK信号转导和MAPK信号通路的关键基因或转录本异构体。同时，5个参与薯蓣皂苷元生物合成和PSK信号转导的候选基因表现出与薯蓣皂苷元动态积累模式一致的表达模式。为进一步解析调控网络，研究人员对涉及薯蓣皂苷元生物合成和PSK信号转导的28个候选基因与1407个编码转录因子的基因进行了共表达网络分析，鉴定了可能参与薯蓣皂苷元生物合成与PSK信号转导协同调控的候选转录因子。本研究表明，PSK-α可能通过协调薯蓣皂苷元生物合成和PSK信号转导途径的转录调控来促进薯蓣皂苷元积累，为肽激素调控植物次生代谢提供了新见解。
**论文解读：PSK-α介导的胡芦巴薯蓣皂苷元生物合成调控机制**
**1. 研究背景与目的**
薯蓣皂苷元（diosgenin）是一种重要的甾体皂苷元，广泛存在于薯蓣科、豆科和蒺藜科植物中，是合成甾体类药物如孕酮、睾酮和氢化可的松的重要工业前体。胡芦巴（*Trigonella foenum-graecum*）因生长周期短、易于栽培且活性代谢物积累量高，成为研究薯蓣皂苷元生物合成的理想模式植物。尽管薯蓣皂苷元的生物合成途径已基本阐明，但其上游信号调控机制研究仍十分有限。植物硫肽激素-α（phytosulfokine-α，PSK-α）是一种高度保守的硫酸化五肽激素，已知参与细胞增殖、根发育、植物再生及环境胁迫响应，但在完整植株中对甾体次生代谢物合成的调控作用尚不清楚。已有报道表明外源PSK-α可影响紫杉醇和莨菪碱等次生代谢物的积累，但证据多来自细胞悬浮培养或离体组织培养体系，关于PSK-α是否调控完整植物中薯蓣皂苷元等次生代谢物合成及其分子机制，目前知之甚少。因此，该研究以胡芦巴为对象，探究PSK-α对薯蓣皂苷元生物合成的影响及其潜在转录调控网络。该论文发表在《Molecules》。
**2. 主要技术方法概述**
该研究使用来自中国安徽当地栽培群体并经实验室多代繁殖的胡芦巴种子，在人工气候室培养幼苗。研究人员采用高效液相色谱（HPLC）法测定薯蓣皂苷元含量；对处理5天和15天的幼苗进行转录组测序（RNA-seq）及生物信息学分析；利用qRT-PCR验证RNA-seq数据可靠性；通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）解析转录因子与靶基因的关联；并运用AlphaFold 3和HDOCK进行分子对接预测转录因子与启动子区的结合。样本包括PSK-α处理组和随机五肽对照组，每组设三个生物学重复。
**3. 研究结果**
*3.1 PSK-α促进胡芦巴中薯蓣皂苷元积累*
研究人员用0.1 μM PSK-α处理胡芦巴幼苗，并在0、5、10、15天测定薯蓣皂苷元含量。HPLC结果显示，处理5天时薯蓣皂苷元水平略低于对照但无显著差异；处理10天和15天时，处理组薯蓣皂苷元含量分别显著增加约61.4%和72.1%，表明外源PSK-α能促进胡芦巴幼苗薯蓣皂苷元积累，且在15天时效果最明显。
*3.2 PSK-α处理下胡芦巴幼苗的转录组分析*
对处理5天和15天的幼苗进行转录组测序。15天组共鉴定出417个差异表达基因（DEGs），其中265个上调、152个下调；5天组共鉴定出815个DEGs，其中454个上调、361个下调。GO富集分析显示DEGs显著富集于“萜烯合酶活性”“倍半萜生物合成过程”“萜类生物合成过程”和“氧化还原过程”。KEGG富集分析表明，光合作用通路高度显著富集，倍半萜和三萜生物合成、萜类骨架生物合成、二萜生物合成以及油菜素甾醇生物合成通路也显著富集。5天处理组中植物激素信号转导通路显著富集，而15天组不显著，提示激素信号级联可能在PSK-α处理早期发挥瞬时调控作用。
*3.3 PSK-α处理对薯蓣皂苷元生物合成相关基因转录的影响*
热图分析显示，与对照相比，15天处理组中22个生物合成途径转录本异构体上调，15个下调；5天处理组中31个上调，6个下调。ACAT-2、SQE-2、CYP82J17-1和CYP82J17-3等基因或转录本异构体的表达趋势与薯蓣皂苷元积累动态一致，提示这些基因可能参与PSK-α诱导的薯蓣皂苷元积累。
*3.4 PSK信号通路基因对PSK-α处理的转录响应*
对PSK信号通路相关基因表达分析显示，15天处理组中6个转录本表达上升，11个下降；5天处理组中4个下降，13个上升。AHA-5是唯一在所有处理时间点表达趋势与薯蓣皂苷元动态积累一致的转录本异构体，提示PSK前体成熟和下游信号转导可能参与调控薯蓣皂苷元积累。
*3.5 调控薯蓣皂苷元生物合成的关键转录因子鉴定*
研究人员从15天转录组数据中鉴定出1407个转录因子（TFs），主要属于MYB、NAC、WRKY、bHLH等家族。以22个薯蓣皂苷元生物合成相关基因和6个PSK信号核心基因作为靶基因进行共表达分析，分别获得与薯蓣皂苷元生物合成基因正、负共表达的TFs 32个和36个，与PSK信号基因正、负共表达的TFs 40个和26个。进一步结合MAPK信号通路基因分析，发现RGF1和bZIP29是唯一同时与薯蓣皂苷元生物合成、PSK信号和MAPK信号共表达网络共享的转录因子，可能是连接PSK信号与薯蓣皂苷元生物合成的候选调控节点。
*3.6 关键转录因子与薯蓣皂苷元生物合成基因的潜在调控关系预测*
基于共表达关系，研究人员选择AP2-1–HMGR3、MYB5–HMGR3、bHLH11–HMGR3、MYB2–SMO4-1、MYB3–SMO4-1和WRKY4–SMO4-1六对候选TF–靶基因进行分子对接。预测结果显示所有六对组合均存在潜在相互作用构象，其中AP2-1–HMGR3界面预测形成22个氢键，相互作用密度最高。这些结果为候选转录因子与薯蓣皂苷元生物合成基因的潜在调控关系提供了结构学线索，但仍需实验验证。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，PSK-α处理下薯蓣皂苷元积累呈现先轻微下降后持续上升的双相动态模式，与茉莉酸甲酯（MeJA）快速诱导的积累模式不同，提示PSK-α可能通过独特的早期和晚期转录响应发挥作用。在对照幼苗中，薯蓣皂苷元含量随培养时间延长逐渐下降，而PSK-α处理缓解了这种发育性下降。转录组分析表明，PSK-α处理协同上调了甲羟戊酸（MVA）通路、胆固醇生物合成通路及下游薯蓣皂苷元合成相关基因的表达，可能为薯蓣皂苷元积累提供了充足前体。PSKR1和BAK1等受体/共受体基因在处理早晚期表达趋势相反，可能与持续的PSK信号激活引发的转录反馈调节有关。共表达网络揭示了MYB、NAC、WRKY、bHLH等转录因子家族可能参与PSK信号与薯蓣皂苷元生物合成的协同调控。研究还指出，分子对接结果仅提供支持性和假设生成性证据，不证明体内直接结合；转录组和共表达分析不能建立直接因果关系。此外，内标物熊果酸虽适合当前HPLC条件，但其与薯蓣皂苷元结构不同，提取效率和检测响应可能存在差异，但不影响处理组与对照组间的相对比较。
**结论：** 该研究首次提供证据表明，外源PSK-α处理可促进胡芦巴中薯蓣皂苷元积累，并与薯蓣皂苷元生物合成相关基因或转录本异构体的表达变化相关。通过整合代谢物谱分析、比较转录组分析、共表达网络分析和分子对接模拟，研究人员鉴定了可能与PSK-α介导的薯蓣皂苷元积累相关的候选基因和转录因子，并预测了潜在的TF–靶基因相互作用。这些发现为将肽激素信号与薯蓣皂苷元积累及生物合成相关转录响应联系起来提供了初步分子框架，并为未来通过代谢工程提高胡芦巴薯蓣皂苷元产量的功能研究和候选调控组分筛选奠定了基础。
