科研進(jìn)展
黃酮類參與沙蓬適應(yīng)青藏高原極端環(huán)境研究獲新進(jìn)展
青藏高原被譽(yù)為“世界第三極”和“亞洲水塔”，是全球生態(tài)安全的關(guān)鍵屏障。然而，隨著極端環(huán)境的變化和氣候波動(dòng)，該地區(qū)的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)正面臨日益嚴(yán)重的沙漠化威脅。
沙蓬（Agriophyllum squarrosum）作為一種廣泛分布于亞洲沙漠的先鋒藥用植物，具有防風(fēng)固沙、改良土壤和豐富藥用成分等多重特點(diǎn)，在青藏高原的多個(gè)高寒沙漠中很常見，因此被視為高寒沙漠生態(tài)修復(fù)的理想物種之一。以往研究表明，盡管不同海拔的沙蓬種群在遺傳背景上差異較小，但其代謝物積累存在顯著差異，尤其是高海拔生態(tài)型表現(xiàn)出更為突出的逆境適應(yīng)性和藥用價(jià)值，然而，造成這種差異的分子代謝機(jī)制尚未明確。
中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院馬小飛研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，結(jié)合群體遺傳學(xué)手段，揭示了沙蓬高海拔生態(tài)型適應(yīng)青藏高原極端環(huán)境及其藥用價(jià)值形成的分子生態(tài)機(jī)制。
代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高海拔生態(tài)型的地上組織中，槲皮素、阿魏酸苷、芹菜素等具有抗氧化、抗紫外線功能的苯丙烷類和類黃酮代謝物的含量顯著增加。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，共有16,680個(gè)基因在高海拔生態(tài)型中上調(diào)，而12,773個(gè)基因下調(diào)。這些差異基因主要參與光合作用、淀粉和蔗糖代謝以及類黃酮和酚酸類物質(zhì)的合成等關(guān)鍵生物過(guò)程。在高海拔條件下，沙蓬的苯丙烷類和類黃酮生物合成通路的相關(guān)基因顯著上調(diào)。代謝組與轉(zhuǎn)錄組整合分析揭示，這些基因的上調(diào)表達(dá)直接促進(jìn)了槲皮素-3-β-O-半乳糖苷、芹菜素7-O-蕓香糖苷和阿魏酸5-O-己糖苷等代謝物在高海拔生態(tài)型中的富集。
群體遺傳分析發(fā)現(xiàn)，苯丙烷類和類黃酮合成相關(guān)基因的分化程度明顯高于中性遺傳標(biāo)記，且該合成通路的15個(gè)相關(guān)基因中，有9個(gè)基因在高海拔群體中完全固定，說(shuō)明沙蓬在適應(yīng)青藏高原極端環(huán)境的過(guò)程中，黃酮合成途徑受到了強(qiáng)烈的定向選擇，并在遺傳、表達(dá)和代謝等多個(gè)層面上展現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性分化。此外，在高原種群中CCoAOMT基因受到平衡選擇，說(shuō)明類黃酮參與了沙蓬對(duì)高原環(huán)境“平衡選擇-定向選擇”的協(xié)同適應(yīng)，并在其生態(tài)位擴(kuò)展和新生境定殖中發(fā)揮作用。
本研究整合了代謝組、轉(zhuǎn)錄組與群體遺傳學(xué)多維數(shù)據(jù)，解析了類黃酮與苯丙烷代謝通路基因的適應(yīng)性分化機(jī)制，并構(gòu)建了“基因表達(dá)-代謝物積累”的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這不僅為高原藥用植物活性成分形成機(jī)制提供了理論依據(jù)，也為篩選抗逆基因資源、設(shè)計(jì)生態(tài)修復(fù)型作物育種策略奠定了分子基礎(chǔ)，為荒漠化治理從經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向邁向精準(zhǔn)調(diào)控提供了新的視角。
研究成果以Adaptive phenylpropanoid and flavonoid biosynthesis pathways of Agriophyllum squarrosum on the Qinghai-Xizang Plateau為題發(fā)表在Medicinal Plant Biology期刊上。西北研究院錢朝菊副研究員和尹曉月博士為該論文共同第一作者，西北研究院燕霞博士和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院常玉曉研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源計(jì)劃植物種質(zhì)資源創(chuàng)新平臺(tái)以及蘭州市青年科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目等資金資助。
論文鏈接：https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/mpb-0025-0005
高、中海拔生態(tài)型沙蓬黃酮和苯丙烷合成通路中基因與代謝物的相關(guān)性
沙蓬種群中CCoAOMT基因的單倍型分布及其基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的兩種等位基因的表達(dá)情況
