中药资源研究团队

中药肉桂为樟科植物肉桂(Cinnamomum cassia Presl)的干燥树皮,具有补火助阳,引火归元,散寒止痛,温通经脉的功效,在阳痿宫冷、腰膝冷痛、肾虚作喘等方面发挥重要作用。肉桂位于“桂十味”道地药材品种之首,为药食两用原料,既是著名的中药,也是常用的食品香料。肉桂挥发油含量的高低被认为是决定其品质优劣的主要因素之一,然而目前针对肉桂挥发油的物质成分及其在植物体内积累的分子机制尚不清楚。

近日,广西中医药大学药学院中药资源研究团队在国际期刊BMC Plant Biology(中科院二区TOP,IF=5.3)发表了题为“Integrated transcriptomics and metabolomics analysis provides insights into aromatic volatiles formation in Cinnamomum cassia bark at different harvesting times”的研究论文。该研究比较了肉桂五个不同采收时期(种植后的36、60、120、240、360个月)的树皮表型、组织形态学、挥发油含量、肉桂醛含量等方面的差异(图1),联合转录组学和代谢组学手段明确了肉桂挥发油中的挥发性成分主要是萜类和苯丙素类化合物,深入挖掘出调控这些成分生物合成关键酶基因以及转录因子,并在此基础上构建了“基因-代谢物”的调控网络,为进一步深入研究肉桂挥发油成分的代谢调控机制奠定了基础。

图1不同采收时期肉桂皮形态特征及生长指标。a.树皮形态。b. 36 MAP处树皮的横截面。c.次生韧皮部薄壁组织中的油细胞。d.树皮厚度。e.挥发油含量。f. 肉桂醛含量。(Oc,油细胞;P,周皮;Sph,次生韧皮部;Sx,次生木质部;Vc,维管形成层)

采用顶空-固相微萃取- GC -质谱法(HS-SPME-GC-MS)对肉桂5个不同采收时期样品的挥发性有机物进行了分析,共鉴定出724种差异挥发性有机化合物,其中反式肉桂醛、α-古巴烯、α-杜松烯等28种为主要的香气成分。通过转录组学分析,共鉴定出43,412个参与肉桂挥发性成分生物合成途径的差异表达基因,主要包括一些参与苯丙氨酸(图2)、甲基戊酸(mevalonic acid,MVA)和磷酸甲基赤藓糖醇(methylerythritol phosphate,MEP)合成途径的关键酶基因和转录因子(图3)。

图2 不同采收时间肉桂中苯丙素生物合成途径的关键酶基因鉴定

图3 不同采收时间肉桂中萜类生物合成途径的关键酶基因鉴定。a. 萜类代谢物数量; b. 单萜和倍半萜之间的代谢离子强度;c. 萜类生物合成途径;d. 萜类合成酶的系统发育树构建

此外,我们还通过WGCNA构建了调控肉桂萜类和苯丙氨酸生物合成的“代谢物-结构基因-转录因子”调控网络,并锁定了参与调控萜类和苯丙素类成分生物合成的候选转录因子(图4)。

图4 肉桂中萜类和苯丙素类生物合成途径的调控网络图。 a. 萜类生物合成途径; b. 苯丙素类生物合成途径。

随着测序技术的迅速发展,代谢组学和转录组学联合分析已被广泛应用于研究药用植物次级代谢物积累响应机制,成为挖掘候选关键基因的有效技术方法。肉桂作为广西著名的药食两用植物品种,利用转录组和代谢组学进行关联分析,揭示其有效成分合成及品质形成的内在机制,为有效开展肉桂分子辅助育种和高质量采收肉桂提供数据支撑。

广西中医药大学药学院中药资源研究团队姚绍嫦研究员为论文第一作者,姚春校长,黄荣韶教授为共同通讯作者。相关工作得到了广西科技重大专项(No. AA22096029)、中央引导广西地方发展项目(No. ZY22096003)、广东省基础与应用基础研究基金(No. 2020B1515420007)和广西一级学科中药学(广西教育厅科研[2022] No. 1)的资助。