《Molecules》：Differential Analysis of Sesquiterpenoids of Atractylodes macrocephalus from Different Origins Based on Transcriptomics
Ao Sun,
Xin Yu,
Shan Lu,
Tong Wu,
Ke-Yi Meng,
Jing-Wei Hao,
Nan Zhao,
Jun-Hong Chai and
Ting-Ting He
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本文针对白术(Atractylodes macrocephala, A.M.)这一重要药食同源植物，其药理活性成分倍半萜在不同产地存在显著差异的机制尚不明确的问题。研究人员通过对陕、闽、皖、冀四地白术样本进行转录组测序与HPLC分析，系统研究了地理差异对倍半萜生物合成的分子调控机制。研究发现，陕西产白术在甲羟戊酸(MVA)和甲基赤藓醇磷酸(MEP)通路的多个关键酶基因(HMGCR, ISPF, GCPE, FDPS)上表达协同上调，与其较高的苍术酮、白术内酯I和白术内酯III含量高度相关。该研究从转录与代谢水平揭示了道地药材(陕西)品质优的分子基础，为白术的分子育种与质量控制提供了科学依据。
白术，一种具有补脾、燥湿、利尿功效的传统药食同源植物，其主要的活性成分是倍半萜类化合物。这些天然小分子化合物展现出抗炎、抗肿瘤、免疫调节等多种药理活性，是白术发挥“健脾”等功效的物质基础。然而，药材品质与产地息息相关，市场上不同产地的白术，其有效成分含量存在明显差异。这背后是什么在起作用？是“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳”的古老智慧在现代分子层面的体现吗？长期以来，关于不同产地白术品质差异的分子机制研究相对有限，转录组研究与代谢产物（如高效液相色谱HPLC）数据的整合也不够充分，这制约了我们对道地药材形成机制的理解，也影响了优质白术品种的选育与质量标准化。为解决这一科学问题，由Ao Sun（孙奥）、Xin Yu（于心）等研究人员组成的研究团队，在《Molecules》期刊上发表了一项研究，他们运用转录组学与代谢组学相结合的方法，深入剖析了地理差异如何影响白术倍半萜的生物合成。
为了开展这项研究，研究者们主要运用了以下几项关键技术方法：首先，从中国陕西、福建、安徽、河北四个省份的道地产区采集了白术根茎样本，构建了cDNA文库。接着，利用Illumina HiSeq2000?平台进行高通量转录组测序，获取基因表达谱数据。然后，通过DESeq2软件进行差异表达基因(DEGs)分析，并结合京都基因与基因组百科全书(KEGG)和基因本体论(GO)数据库对差异基因进行功能富集分析。同时，通过定量实时聚合酶链式反应(qRT-PCR)对筛选出的关键差异表达基因（如HMGCR, ISPF, GCPE, FDPS）的表达水平进行了验证。最后，利用高效液相色谱法(HPLC)定量测定了白术中苍术酮、白术内酯I和白术内酯III这三种主要倍半萜化合物的含量，从而在代谢水平上验证基因表达的结果。
结果与分析
2.1. 转录组数据组装
对四个产地的白术根茎进行转录组测序，获得了高质量的测序数据。组装后共得到374,475条单基因(unigenes)，其中长度超过500 bp的占比较高，表明组装质量良好，足以支持后续的差异表达分析和关键基因鉴定。
2.2. 单基因注释与分类
通过与八个公共数据库比对，共有182,821条单基因获得了注释。其中，在非冗余蛋白质(NR)数据库中注释到的基因比例最高。基因本体论(GO)功能分类显示，大部分基因归属于生物学过程(BP)类别。此外，真核生物同源群(KOG)分类中，“一般功能预测”和“翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣”相关基因占比较高。这些注释结果为后续功能分析奠定了基础。
2.3. 不同产地样本间相关性分析
对来自四个产地的样本（每个产地三个生物学重复）进行相关性分析，结果显示同一产地内样本间的相关系数均在0.8以上，表明组内重复性好，数据可靠。
2.4. 差异表达分析
比较不同产地样本间的基因表达模式，共识别出多组差异表达基因(DEGs)。其中，福建与安徽组比较的差异基因数量最多，而安徽与河北组最少，这表明白术的转录组差异程度因产地而异。
2.5. 差异表达基因的基因本体论分析
GO富集分析显示，在不同产地的比较组中，差异表达基因在“细胞过程”、“细胞”、“细胞组分”以及“结合”或“催化活性”等功能类别中最为富集。这表明地理差异主要影响的是白术的基础细胞活动和代谢调控过程。
2.6. 差异表达基因的京都基因与基因组百科全书代谢通路分析
KEGG通路富集分析发现，在六个比较组中，与“核糖体”通路相关的差异基因数量最多，其次是“碳代谢”通路。核糖体是蛋白质合成的核心，其通路的显著富集表明高产地的白术可能具有更强的翻译活性，为倍半萜合成关键酶的大量生成提供了基础。
2.7. 萜类生物合成转录组整合分析
研究聚焦于萜类骨架的生物合成通路。倍半萜的合成主要通过甲羟戊酸(MVA)和甲基赤藓醇磷酸(MEP)两条途径进行。通过生物信息学分析，在萜类生物合成通路中共鉴定出12个差异表达的关键酶基因。其中，从MEP途径筛选出ISPF和GCPE基因，从MVA途径筛选出HMGCR基因，以及负责法尼基焦磷酸(FPP)合成的关键酶基因FDPS，用于后续验证。
2.8. 转录组验证
通过qRT-PCR对筛选出的四个关键基因(HMGCR, ISPF, GCPE, FDPS)进行表达验证。结果显示，陕西产白术中，来自MEP通路的ISPF基因和来自MVA通路的HMGCR基因表达水平均显著高于其他产地。而FDPS基因在福建样本中表达最高。总体而言，陕西白术中这四个关键酶基因的表达水平相对较高，与转录组测序结果一致。
2.9. 萜类化合物含量相关性
HPLC定量分析结果显示，三种主要倍半萜化合物（苍术酮、白术内酯I、白术内酯III）在四个产地中均有检出，但含量存在明显差异。陕西产白术的所有三种成分含量均为最高，其中白术内酯I含量达4.06 ± 0.16 mg/g。其次是福建、安徽，河北样本的含量相对最低。这种代谢物积累模式与qRT-PCR揭示的关键基因高表达模式相吻合，从代谢水平证实了陕西白术具有更强的倍半萜生物合成能力。
结论与讨论
本研究通过对陕西、福建、安徽、河北四地白术的转录组和代谢物分析，系统揭示了地理差异影响白术倍半萜生物合成的分子机制。核心结论是，陕西产白术在MVA和MEP两条前体供应通路上实现了多基因（如HMGCR、DXS、ISPF）的协同上调，同时下游负责骨架形成的关键基因FDPS也高表达，这种“前体供应-骨架形成”的协调激活，共同驱动了苍术酮、白术内酯等活性倍半萜成分的高效积累。相比之下，其他产地（如河北）可能仅有个别基因（如FDPS）表达较高，但由于上游前体供应不足，导致整体合成能力受限。
这一发现具有多重重要意义。首先，它从分子水平为“道地药材”陕西白术的优质性提供了科学解释，证实了传统经验认定的合理性。其次，研究指出地理差异（如气候、土壤pH值、矿物质、微生物群落等）可能是通过表观遗传等机制调控了这些关键基因的表达。例如，土壤中的Fe2+可能作为辅因子或信号分子激活相关通路；道地产区特有的根际微生物也可能直接或间接参与次生代谢调控。最后，该研究为白术的分子育种提供了明确方向：育种策略应着眼于多个基因的协同表达调控，而非单个基因的过度表达，尤其要平衡上游前体供应基因（如HMGCR, DXS）与下游骨架形成基因（如FDPS）的表达。未来可基于陕西优质基因型开发分子标记，用于辅助选择高含量种质，或通过基因编辑模拟道地产区的表达模式，从而在非道地产区实现药材品质的提升。总之，这项工作不仅深化了对白术活性成分生物合成机制的理解，也为药用植物的品质改良与“道地性”研究建立了可借鉴的多组学整合分析框架。
