暗紫贝母（Fritillaria unibracteata）是百合科贝母属多年生草本植物，为川贝母的传统基原植物之一。暗紫贝母的干燥鳞茎做为川贝母，已有上千年的入药历史，其具有清热润肺，止咳化痰，镇静平喘，抗炎降压等功效。暗紫贝母主产于四川省阿坝州，已被国家知识产权局列为阿坝州松潘县的“中国国家地理标志产品”。然而，由于暗紫贝母主要为野生，过度采挖已严重破坏暗紫贝母野生种群的正常繁殖，导致其野生资源量急剧下降，已列入国家三级珍稀濒危保护植物。甾体生物碱作为暗紫贝母的指标性生物活性成分，对其合成相关基因开展研究，不仅能为甾体生物碱生物合成的分子调控奠定基础，从而有效满足市场与临床需求，同时也能减少对暗紫贝母野生资源的依赖，实现资源保护的目的。
然而，由于缺乏暗紫贝母的基因组数据，目前对参与甾体生物碱生物合成的相关基因研究较少。因此，基于转录组和代谢组，找到暗紫贝母中甾体生物碱生物合成的关键基因和催化剂能为甾体生物碱的改造提供有效的方法。2023年8月，“药用植物资源与分子生物学”团队在植物化学、生物化学国际期刊Phytochemistry发表题为“Integrated transcriptomic and metabolomic analysis reveals the molecular basis of tissue-specific accumulation of bioactive steroidal alkaloids in Fritillaria unibracteata”的研究论文（Phytochemistry, 2023, 214: 113831, http://doi.org/10.1016/j.phytochem.2023.113831），通过类耙代谢组学和转录组学联合分析揭示了暗紫贝母中甾体生物碱的组织特异性积累的分子基础。
本研究从暗紫贝母4个组织（叶、花、鳞茎、茎）的类耙向代谢组中鉴定获得共1101个代谢物，包括35种生物碱。对4个组织代谢差异的分析表明，Imperialine、peiminine和peimisine等3种甾体生物碱高度富集于暗紫贝母鳞茎组织中。随后，转录组测序获得4个组织的转录组数据，合计83.60Gb。同时，对MVA途径中1个编码磷酸甲羟戊酸激酶的基因（FuPMK），开展了原核表达和体外功能验证，从而评估转录组数据的准确性。
图1 暗紫贝母不同组织的代谢组及生物碱富集
图2 暗紫贝母甾体生物碱的可能合成途径
对9217个差异表达的单基因（DEGs）进行GO和KEGG富集分析结果表明，苯丙烷代谢（phenyl- propanoid biosynthesis）、MVA介导的萜类骨架生物合成（terpenoid backbone biosynthesis）和类固醇生物合成（steroid biosynthesis）等过程在鳞茎中富集，而MEP介导的萜类骨架生物合成、光合作用（photosynthesis）、光合作用-天线蛋白（photosynthesis-antenna protein）和类胡萝卜素生物合成（carotenoid biosynthesis）等过程在地上组织（叶、花、茎）中富集。聚类分析表明，与上游萜类骨架生物合成途径相比，下游类固醇生物合成途径在甾体生物碱的生物合成中更为重要。另外，筛选到可能参与甾体生物碱合成、调控与运输的CYP450s、转录因子和ABC转运蛋白。最后，借助蛋白质-蛋白质相互作用分析表明δ（24）-固醇还原酶（delta (24)-sterol reductase）可能是位于核心位置的关键酶。
图3 暗紫贝母不同组织的富集图
本研究为探索暗紫贝母中甾体生物碱组织特异性生物合成的第一步，丰富了暗紫贝母基因组数据信息，对代谢工程中甾体生物碱的改造提供了重要参考，同时将有助于对暗紫贝母的保护。同时，基于转录组，也挖掘出蛋白酶抑制剂与热激蛋白等抗逆基因资源，为了解暗紫贝母的高海拔适应机制奠定基础。
本研究工作由西南交通大学“药用植物资源与分子生物学”实验室团队廖海、全慧鸽、黄斌翰、冀慧玥、张田、陈娇、周嘉裕共同完成，西南交通大学“药用植物资源与分子生物学”实验室廖海副教授为本论文通讯作者。本研究由国家自然科学基金委员会（No. 32270410）、四川省科技计划（No. 2018SZ0061）、成都市技术创新计划（2022-YF05-01357-SN），四川省中医药管理局项目（No. 2021MS116），中央高校基本科研业务费医工结合项目（No. 2682022ZTPY053）资助。
