石蒜科植物作为传统中药材，分布广泛且资源丰富，具备多种重要的食用、观赏及药用价值。这类植物富含大量生物碱类化学成分，尤其是石蒜碱和加兰他敏。这两种生物碱的合成受到多种基因的调控，例如编码4'-O-甲基降孤挺花啶转移酶（N4OMT）、乙醛脱氢酶（ALDH）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的基因。生物碱的产生还可能受到植物生态条件的影响，如光照、土壤质量和土壤微生物组的变化。然而，其调控机制错综复杂，目前人们的了解尚不深入。因此，对不同产地种质资源材料中生物碱含量变化的分子响应进行研究，将有助于在基因和分子层面上优化生长条件，从而提升生物碱的产量和效果，同时也将为解析生物碱的生物合成途径及其发育机制提供新的视角和思路。
近日，西南大学生命科学学院邓洪平教授团队在Plant, Cell & Environment（中科院生物学大类、植物科学小类一区，Top）上发表了题为“Multi-Omics Analysis Reveals Molecular Responses of Alkaloid Content Variations in Lycoris aurea Across Different Locations”的研究论文，转录组、代谢组和生态动力多组学分析揭示了不同产地忽地笑生物碱含量变化的分子响应。
该研究对中国9个主要省份的忽地笑群落分布进行了调查，并选择了生物碱含量高的江西省全南县群落和生物碱含量最低的湖南省怀化市的中方县群落进行比较。共鉴定出6,871个差异表达基因，其中3,931个上调，2,940个下调。发现多个KEGG途径的显着富集，包括N-聚糖生物合成、光合生物中的碳固定、硒化合物代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成等。蛋白互作网络分析发现生物碱产生区域的光合作用、光系统和光合膜途径显著上调（图1）。代谢组分析表明，与L组相比，H组共表现出915个差异代谢物，其中582个上调和333个下调（图2）。涉及萜类骨架生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等途径（图3）。
图1.差异表达基因的功能注释分析
图2.差异表达代谢物的鉴定
图3.利用KO基因和KEGG模块对DEGs和DEMs进行联合分析
此外，研究还揭示了土壤微生物群落、基因、植物和土壤生物化学性质之间的相互作用，指出细菌种群与土壤性质相关，有利于激活生物碱生产所必需的代谢途径。通过将转录组数据与16S和ITS测序结果以及观察到的植物和土壤特性相结合，发现石蒜碱浓度与多种土壤特征呈正相关，特别是土壤pH、WC和Se水平。同样，土壤细菌种群也与土壤pH值和Se含量呈正相关。加兰他敏及其相关编码基因N4OMT的含量与植物酶COM呈正相关，表明特定酶活性与生物碱合成之间存在联系。有趣的是，真菌群落与任何土壤或植物特性都没有显着相关性，这表明真菌在该系统中的生态和生化作用与其他生物因素的不同相互作用模式（图4）。
图4. 转录组、代谢组和生态动力多组学分析揭示了不同产地忽地笑生物碱含量变化的分子响应
西南大学左有为博士为第一作者、湖南怀化学院全妙华教授为共同第一作者，西南大学邓洪平教授为唯一通讯作者。团队成员张潇、龙娜娜、游诗琪、彭杨，怀化学院刘光华为主要作者。本项研究得到国家自然科学基金（32070367；31470403）和重庆市自然科学基金面上项目（2024NSCQ-MSX2167）的资助。
文章链接：http://doi.org/10.1111/pce.15187
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