基于代谢组的全基因组关联研究为穿心莲（Andrographis paniculata）中穿心莲内酯（andrographolide）的积累机制提供了遗传学见解

《Journal of Genetics and Genomics》：Metabolome-based genome-wide association study provides genetic insights into the andrographolide accumulation in Andrographis paniculata

基于代谢组学与全基因组重测序，揭示安神草（Andrographis paniculata）中14-脱氧andrographolide合成关键基因ApNB-ARC25的功能，证实其通过调控萜类骨架形成及二萜合成相关基因促进活性成分积累，并在水稻中验证了增强抗病与次生代谢产物的应用潜力。

　　

王玉霞|李旭|金斌|陈佳文|吴段|沈琦

中国广州中医药大学药学院药用植物生理生态研究所，广东广州510006

摘要

穿心莲（Andrographis paniculata）是一种独特的药用植物，能够产生与穿心莲内酯相关的代谢物，这类二萜类化合物具有强大的抗炎活性。为了阐明这些化合物生物合成的遗传机制，我们对一个自然种群进行了全面的代谢谱分析及全基因组重测序研究。种群结构分析显示，该种群分为四个亚组，这些亚组内部的遗传多样性较低，但组间存在显著差异。通过基于代谢组的全基因组关联研究，我们发现了一个与14-脱氧穿心莲内酯含量相关的关键位点。该位点编码一个含有NB-ARC结构域的抗性蛋白基因ApNB-ARC25（CXN00004106）。利用病毒诱导的基因沉默技术进行功能研究后发现，沉默ApNB-ARC25可显著减少穿心莲内酯的积累，并下调穿心莲内酯生物合成途径中关键基因的表达。将ApNB-ARC25异源过表达到水稻中不仅提高了其对稻瘟病的抗性，还增强了二萜类植物抗性物质的产生。我们的研究结果表明，ApNB-ARC25通过上调参与萜类骨架形成和二萜类合成的关键基因来促进二萜类物质的积累和穿心莲内酯的生物合成。这项工作不仅扩展了人们对ApNB-ARC基因家族的功能认识，还为提高药用植物中有效化合物的积累提供了遗传资源，为药用代谢物生物合成的分子调控机制提供了重要见解。

引言

作为固定不动的生物，植物在其生长和发育过程中不可避免地会遇到各种环境压力。为了应对这些不利条件，它们会合成次生代谢物以增强抗逆性。尤其是药用植物，会积累大量这类化合物作为适应性反应的一部分，其中许多化合物后来被用作对人类健康有益的药材。

穿心莲（Andrographis paniculata）属于爵床科（Acanthaceae），原产于印度和斯里兰卡，后来被引入并在中国南部广泛栽培（Lee等人，2010年；Jiao等人，2019年）。它以其强大的抗炎特性而闻名。该植物能产生一系列与穿心莲内酯相关的化合物，包括14-脱氧穿心莲内酯、穿心莲内酯、新穿心莲内酯和脱氢穿心莲内酯（Zhou等人，2013年；Kaushik等人，2021年）。这些生物活性代谢物具有多种药理作用，如镇痛、抗癌、抗糖尿病、抗疟疾、抗氧化、抗炎、抗菌和抗肿瘤等（Singha等人，2003年；Dai等人，2019年；Kaushik等人，2021年）。除了药用价值外，这些化合物还具有重要的生态作用，能够保护植物免受环境压力的影响并增强其抗病能力。

为了阐明二萜类化合物的生物合成机制，Sun等人（2019年）完成了穿心莲的首个基因组组装（约269 Mb），鉴定出25,428个蛋白质编码基因。他们的研究发现了参与不同二萜类骨架形成的关键二萜合成酶，包括copalyl二磷酸合成酶（CPS1和CPS3）以及kaurene合成酶类似蛋白（KSL1和KSL2）（Sun等人，2019年）。随后，Liang等人（2020年）报道了改进后的穿心莲基因组组装结果，基因组总大小为284 Mb，分布在24条染色体上，contig N50长度为5.14 Mb。他们详细分析了与生物活性代谢物生物合成密切相关的主要基因家族（尤其是KSL和CYP450家族）（Liang等人，2020年）。最近的研究进一步阐明了与穿心莲内酯相关化合物的生物合成途径。两种细胞色素P450酶（ApCYP450s）催化了关键前体andrograpanin的生物合成中的关键反应，随后通过CYPs和UGTs的协同作用将其转化为穿心莲内酯相关化合物（Sun等人，2019年；Wang等人，2025年）。此外，高温可通过茉莉酸信号通路激活ApMYC2-ApHSFB2b转录模块，从而增强穿心莲中活性二萜内酯的产生（Huang等人，2025年）。

近年来，基于代谢组的全基因组关联研究（mGWAS）已成为揭示药用植物代谢多样性遗传结构的强大工具。在本研究中，我们通过系统的种质资源收集建立了一个遗传多样性的穿心莲种群。通过将高分辨率代谢谱分析与全基因组重测序数据相结合，我们发现了与穿心莲内酯生物合成相关的关键遗传变异。这些发现为穿心莲的遗传改良提供了分子基础，并为其药用开发提供了可能性。

研究片段

分析穿心莲种群中的穿心莲内酯相关化合物

为了识别穿心莲中主要代谢物生物合成背后的遗传变异，我们收集了来自中国南部（广西、广东、浙江等地）的76个样本，组建了一个自然种群（图1A；表S1）。根据最近阐明的穿心莲内酯相关化合物的生物合成途径（Wang等人，2025年；图1B），我们量化了包括穿心莲内酯、新穿心莲内酯在内的关键二萜内酯的积累情况。

讨论

遗传多样性是指在进化和环境适应过程中产生的可遗传变异。尽管在模式物种和主要作物中对此进行了广泛研究，但由于种质资源有限，药用植物的遗传研究仍然较为有限。穿心莲于20世纪50年代从东南亚引入，随后在中国广东、福建和广西等地广泛栽培。先前的研究表明该物种存在明显的遗传瓶颈（Valdiani等人，

相关种群材料

穿心莲的相关种群材料主要由我们的研究小组从五个地区收集，包括广东湛江、广西贵港和南宁、山东潍坊以及浙江杭州，共76个样本。这些样本于3月中旬种植在广州的试验田中，并在自然条件下进行常规的水肥管理。

内酯含量检测

在采集穿心莲的新鲜叶片时（每株植物……

未引用参考文献

Li和Durbin，2009年；Retief，2000年；Zhou和Stephens，2012年。

数据可用性

原始数据和变异数据已分别存放在中国国家生物信息中心，访问号为CRA036977（https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa/browse/CRA036977）和GVM001254（https://bigd.big.ac.cn/gvm/getProjectDetail?Project = GVM001254）。

CRediT作者贡献声明

王玉霞：研究设计；方法学；资金获取；数据分析；软件使用；数据可视化；初稿撰写。 李旭金斌陈佳文和吴段沈琦

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

我们衷心感谢广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515220205）以及国家自然科学基金（U22A20446）的支持。