转录组学与WGCNA（weighted gene co-expression network analysis）的整合分析揭示了Platostoma palustre中黄酮类化合物的生物合成及其调控机制
《Food Bioscience》：Integrated analysis of transcriptomics and WGCNA reveals the biosynthesis and regulatory mechanisms of flavonoids in
Platostoma palustre
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本研究通过转录组学和加权基因共表达网络分析，揭示了Platostoma palustre黄酮类化合物生物合成的关键酶基因（UFGT、FMO、FLS等）及调控网络，为品种改良和资源利用奠定理论基础。
作者：全昌倩|范伟|黄莎莎|徐美华|唐丹峰
单位：广西药用资源保护与遗传改良重点实验室/广西中医药资源智能创新工程技术研究中心，国家中医药传承与创新中心，广西药用植物园，南宁，中国
摘要
Platostoma palustre（简称P. palustre）是一种具有重要药用和食用价值的植物，应用范围广泛。黄酮类化合物是其活性成分之一，也是评价其品质的重要指标。然而，关于P. palustre中黄酮类化合物生物合成的分子机制及调控网络的研究仍较为有限。本研究采用转录组学技术，鉴定出参与黄酮类化合物合成的关键酶基因，共发现7个关键基因，包括UDP-葡萄糖黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）、黄酮3'-单加氧酶（FMO）、黄酮醇合成酶（FLS）和黄酮3',5'-甲基转移酶（F3'5'M）。同时，构建了P. palustre中黄酮类化合物的假想生物合成途径。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），进一步识别出多个关键转录因子（TFs），这些因子属于基本螺旋-环-螺旋（bHLH）家族、teosinte branched1/cincinnata/增殖细胞因子（TCP）家族、生长素/吲哚-3-乙酸（AUX/IAA）家族、APETALA2/乙烯响应因子（AP2/ERF）家族以及同源框-knotted1样同源框（HB-KNOX）家族等，从而揭示了P. palustre中黄酮类化合物的生物合成及调控机制。本研究为P. palustre的转录调控网络提供了新的见解，为新品种的培育奠定了理论基础。
引言
Platostoma palustre（Blume）A. J. Paton（或称Mesona chinensis Benth），俗称凉粉草，是中国南方重要的药用和食用植物（Huang et al., 2024a; Tang et al., 2023）。该植物分布于广西、广东、福建、江西、海南、浙江、台湾和云南等省份，也在越南、印度、印度尼西亚和马来西亚有分布（Chen et al., 2000; Tang et al., 2022a）。根据《中国药典》、《国家中药大全》和《中药辞典》的记载，P. palustre性寒，味甘淡，具有清热解暑、利尿的功效，可用于治疗中暑、糖尿病和高血压等疾病，广泛用于生产清热解毒的中药制剂、草药茶、果冻和功能性饮料等（Li et al., 2025）。目前，P. palustre是许多国内知名品牌的重要原料，如王老吉、加多宝和和其正的草药茶，以及双泉桂林高（Huang et al., 2024b; Wu & Wang, 2009）。此外，它还显示出在开发食用色素、涂层和可食用薄膜等功能性产品方面的潜力（Li et al., 2019）。随着社会经济的发展、消费习惯的改变以及产品升级，以P. palustre为原料的产品越来越受欢迎，市场需求持续增长，相关科学研究也日益受到重视。
P. palustre属于唇形科Platostoma属的一年生或多年生草本植物。药用部位主要为整株植物，但在实际栽培中主要收获地上部分的茎和叶，偶尔也会附带少量根。P. palustre富含多糖、黄酮类、萜类和酚类等活性成分，具有抗氧化、降血糖、降血脂、降压、抗病毒和抗缺氧等多种生物活性（Lin et al., 2016）。其中，黄酮类化合物是P. palustre中的重要成分，大多数含有酚羟基且呈酸性（Zhou et al., 2013）。它们具有抗癌、抗溃疡、抗氧化、抗病毒和抗炎等多种生物活性（Lin et al., 2013）。P. palustre中的黄酮含量占总成分的5.47%至6.21%，具有抗氧化、抗衰老等作用，可作为抗炎、抗菌、抗病毒和消化药物的原料（Zhang et al., 2012）。来自P. palustre的黄酮类化合物具有很强的清除羟基自由基（·OH）和1,1-二苯基-2-吡啶肼自由基（DPPH·）的能力（Zhu et al., 2010）。从P. palustre中分离出的两种黄酮化合物——木犀草素和山柰酚表现出良好的抗缺氧活性（Qin et al., 2006）。通过高效液相色谱（HPLC）测定，P. palustre中的槲皮素含量为0.1813 mg/g，是其中的主要黄酮成分，对其祛痰、止咳和平喘作用具有重要作用（Feng et al., 2009）。
迄今为止，关于P. palustre的研究主要集中在多糖提取和生物活性（Pan et al., 2024）、成分鉴定（Wang et al., 2020）、栽培技术（Pu et al., 2020）、分子标记（Huang et al., 2024b）、组织培养（Pang et al., 2022）以及抗逆机制（Li et al., 2025; Quan et al., 2025; Tang et al., 2022b）等方面。然而，作为具有多种治疗作用的活性成分之一，黄酮类化合物的生物合成和调控机制研究仍相对不足，这限制了其药用价值的开发。Du et al.（2023）发现P. palustre>不同部位的黄酮含量从高到低依次为：花>叶>茎>根，并且黄酮含量会随储存时间的延长而减少。Zhu et al.（2025）表明茎是P. palustre>中总黄酮的主要积累器官，在营养生长后期（S6阶段），茎中的总黄酮含量为148.36 mg·g-1，每株植物积累量为36.89 g，是叶子的4.75倍。由此可见，茎和叶是P. palustre>中黄酮的主要积累组织。我们团队此前进行了广谱代谢组学分析，结果显示P. palustre>叶片中的黄酮类化合物（如槲皮素、 astragalin、异槲皮素等）在S2阶段显著富集，叶片中的黄酮类型和含量均高于茎部，表明叶片是黄酮的主要积累组织。You et al.（2024a）以两个栽培品种‘Pingyuancao’和‘Taiwancao’的芽期、开花期和凋谢期的叶片为材料，进行了从头转录组分析，发现51个差异表达基因（DEGs）与黄酮合成相关。这些基因在不同生长阶段的表达趋势基本一致，表明黄酮合成存在发育阶段特异性调控。
总之，尽管现有研究初步揭示了P. palustre>中黄酮的成分、含量及组织特异性积累特征，但其生物合成机制和调控网络仍不明确。因此，本研究旨在分析P. palustre>的黄酮生物合成途径，鉴定参与黄酮合成的关键基因和表达调控因子，并通过整合转录组学和加权基因共表达网络分析，初步阐明其黄酮合成的调控机制。这对于阐明P. palustre>中黄酮积累的生物学基础、提升其品质育种以及促进资源利用具有重要意义。
植物材料
本研究中使用的植物材料包括在三个生长阶段（S1、S2和S3）采集的叶片和茎部，具体方法参照了我们之前的研究（Huang et al., 2024a）。‘Taiwan’品种的插苗来自中国台湾省，种植在广西药用植物园的试验田中。首次采样于2022年6月10日，采集了植株顶部的第3-4片叶子。
不同生长阶段P. palustre
的叶片和茎部特征
如图1和图2A、B所示，不同生长阶段的叶片长度和宽度没有显著差异。然而，随着生长阶段的推进，茎的长度和直径逐渐增加（图1和图2C、D）。特别是S2阶段与S3阶段相比，茎的长度分别增加了69.67%和79.62%（图2C）。此外，茎的直径也没有显著差异。
讨论
Platostoma palustre是一种分布于亚洲热带和亚热带地区的重要药用和食用植物。黄酮类化合物是其活性成分之一，也是评价其品质的重要指标。尽管已有研究探讨了P. palustre>中黄酮的组织积累特征（Du et al., 2023; Huang et al., 2024a; Zhu et al., 2025），但关于其黄酮生物合成的分子机制和调控网络仍知之甚少。
结论
综上所述，本研究鉴定了参与P. palustre>黄酮合成的多个关键酶编码基因（DEGs），并构建了黄酮的假想生物合成途径。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），筛选出属于bHLH、TCP、AUX/IAA、AP2/ERF、HB-KNOX、GATA家族的关键转录因子（TFs）。这些关键酶编码基因和关键转录因子可能在P. palustre>的黄酮合成中发挥重要作用。本研究为黄酮的生物合成机制提供了新的见解。
作者贡献声明
黄莎莎： 资源整理与数据管理。
徐美华： 资源整理与数据管理。
全昌倩： 文章撰写——初稿撰写。
范伟： 资源整理、数据分析、正式分析。
唐丹峰： 文章撰写与编辑、监督、资金申请、概念构思。
未引用参考文献
Falcone Ferreyra et al., 2012; Zhang and Xie, 2012; Zhu and Yin, 2010.
数据可用性
本研究中的原始数据已公开共享，可访问国家生物技术信息中心（NCBI）BioProject数据库，登录号为PRJNA1244018。
致谢
本研究得到了广西重点研发计划项目（GuikeAB24010015）、国家自然科学基金（82260750和82460754）以及广西药用资源保护与遗传改良重点实验室的独立研究项目（KL2023ZZ08）的支持。
