“定向选育”｜ 破解淫羊藿黄酮醇苷合成调控密码！庐山植物园程春松团队锁定5个枢纽基因，化学型定向育种迈出关键一步

近日，江西省、中国科学院庐山植物园程春松博士团队在药用植物活性成分合成调控领域取得重要进展。该团队依托庐山植物园淫羊藿属资源圃，通过同质园栽培、高效液相色谱（HPLC）成分定量、转录组测序（RNA-seq）与加权基因共表达网络分析（WGCNA）相结合的技术路线，系统解析了淫羊藿属植物关键黄酮醇苷——朝藿定A、朝藿定B、朝藿定C和淫羊藿苷——生物合成的内在调控网络，成功鉴定出5个枢纽基因及其互作网络，为淫羊藿化学型定向育种奠定了分子基础。相关研究成果已在线发表于国际植物学期刊《BMC Plant Biology》。

千年药用名品，品质差异之困

淫羊藿为小檗科淫羊藿属多年生草本植物，始载于《神农本草经》，性温、味辛甘，具有补肾阳、强筋骨、祛风湿之功效，在我国已有逾2000年的药用历史。淫羊藿属全球约68种，其中约58种分布于我国，主产于贵州、四川、辽宁、山西、湖南等地。现代研究表明，淫羊藿叶片中已检测到百余种化学成分，其中C8位异戊烯基取代的黄酮醇苷类成分——朝藿定A、朝藿定B、朝藿定C、淫羊藿苷、宝藿苷I等——被公认为主要药效物质，具有抗肿瘤、防治心血管疾病、改善性功能障碍、治疗骨质疏松、神经保护及改善肾损伤等药理活性。朝藿定A、B、C和淫羊藿苷更是《中国药典》淫羊藿药材质量控制的指标性成分。

以淫羊藿为原料开发的中成药种类繁多，益肾灵颗粒、前列回春胶囊、八味益肾丸等制剂畅销市场；以淫羊藿素（Icaritin）为核心的国家一类新药获批用于晚期肝癌免疫治疗，进一步拉大了淫羊藿属资源的需求缺口。在野生资源持续萎缩的背景下，人工栽培必将成为药材市场的主要来源。然而，淫羊藿属种类繁多，不同种之间活性成分含量差异巨大，即便同种植物也会因批次、产地和药用部位不同而品质不一——市场调查曾显示，药材市场与饮片厂淫羊藿样品的品种鉴定准确率仅分别为64%和84%，混伪品掺杂现象屡见不鲜。“同样是淫羊藿，有效成分含量为何天差地别？能否找到背后的基因开关，实现按成分需求定向育种？这是淫羊藿品质育种长期未能破解的核心科学问题。”程春松博士介绍。

同质园里辨差异，多组学联手寻“开关”

为排除环境干扰、凸显遗传本质差异，团队以庐山植物园淫羊藿属资源圃（北纬29°32′、东经115°58′，海拔1021米）为研究平台，选取迁地栽培三年以上、长势良好的22种（共23批次）淫羊藿为研究对象，严格按照《中国药典》方法处理叶片样品，利用HPLC对12种化学成分进行同步定量；随后采用改良Z值法，依据朝藿定A、B、C和淫羊藿苷四种药典质控成分的含量，将23批淫羊藿种群划分为极高、中等、极低三种化学型。

在此基础上，团队挑选总黄酮醇苷含量极高的柔毛淫羊藿、箭叶淫羊藿、截叶淫羊藿，以及含量极低的天门山淫羊藿、保靖淫羊藿共5个极端化学型种，开展转录组测序与WGCNA共表达网络分析，层层筛选调控黄酮醇苷合成的枢纽基因，并通过qRT-PCR在叶片、根茎、叶柄等不同药用部位对候选基因进行表达验证。

12种成分精准画像：濒危种竟是“含量冠军”

HPLC测定结果显示，23批次淫羊藿中12种成分含量差异显著：咖啡酸在所有样品中均未检出；淫羊藿素检出率仅8.7%。四种药典质控成分普遍检出率高、含量丰富，其中朝藿定C检出率最高（82.6%）、平均含量最高，含量跨度达1.12–66.69毫克/克。尤为引人注目的是，濒危物种截叶淫羊藿（Epimedium truncatum）的朝藿定C含量高达66.69毫克/克，远超各药典收载种——研究者推测，极高的活性成分含量带来的采挖压力，或许正是该物种逐渐销声匿迹的原因之一。

化学型分类进一步揭示了各成分的“优势种质”：朝藿定A、B极高化学型为多花淫羊藿与短茎淫羊藿；朝藿定C极高化学型为截叶淫羊藿与箭叶淫羊藿；淫羊藿苷极高化学型为柔毛淫羊藿、钟花淫羊藿与箭叶淫羊藿；总黄酮醇苷极高化学型为箭叶淫羊藿、截叶淫羊藿与柔毛淫羊藿，与前期筛选结果高度一致。

图1　23批次淫羊藿12种化学成分的测定。A：对照品溶液HPLC图谱（1.绿原酸；2.隐绿原酸；3.咖啡酸；4.金丝桃苷；5.槲皮苷；6.朝藿定A；7.朝藿定B；8.朝藿定C；9.淫羊藿苷；10.淫羊藿次苷I；11.宝藿苷I；12.淫羊藿素）；B：柔毛淫羊藿样品HPLC图谱；C：5种淫羊藿样品HPLC图谱（自上而下：箭叶淫羊藿、柔毛淫羊藿、截叶淫羊藿、天门山淫羊藿、保靖淫羊藿）；D：23批次淫羊藿11种成分含量；E：23批次淫羊藿总黄酮醇苷平均含量

图2　基于不同化学成分含量的淫羊藿种群化学型分类。A–E：朝藿定A、B、C、淫羊藿苷及总黄酮醇苷在极高、中等、极低三种化学型中的含量（单因素方差分析，**p < 0.01，***p < 0.001）；F–J：各成分极高化学型淫羊藿种及其含量

773个共同差异基因，WGCNA网络锁定三大关键模块

对5个极端化学型种的转录组分析显示，高含量组与低含量组之间的每个比较组均包含上万个差异表达基因；取6个比较组的交集后，获得773个共同差异基因。GO与KEGG富集分析将这些基因指向转移酶活性、UDP-糖基转移酶活性以及黄酮和黄酮醇生物合成等与目标性状密切相关的功能通路。WGCNA分析进一步将全部基因划分为12个共表达模块：MEturquoise模块与朝藿定A、B和淫羊藿苷含量高度正相关（相关系数分别为0.85、0.86、0.93），MEmagenta模块与朝藿定C含量高度正相关（0.80），MEbrown模块则与朝藿定C含量高度负相关（−0.84）。

图3　5种极端化学型淫羊藿转录组数据分析。A：5种淫羊藿叶片形态（标尺=1厘米）；B、C：差异表达基因火山图；D：各比较组差异基因数量柱状图；E：共同差异基因韦恩图；F、G：差异基因的GO与KEGG富集分析

5个枢纽基因浮出：3个“刹车”、2个“油门”

通过模块基因与共同差异基因的韦恩分析，结合功能注释和基因—性状相关性筛选，团队最终鉴定出5个潜在调控淫羊藿黄酮醇苷合成的枢纽基因。其中3个为MYB型转录因子（与箭叶淫羊藿EsMYB9/10/12相似度超过80%），其表达水平与朝藿定C合成呈负相关，扮演着“刹车”角色；1个为黄酮3-O-鼠李糖基转移酶（相似度82%），与朝藿定A、B和淫羊藿苷的合成呈正相关——这三种成分恰好都需要3-O位鼠李糖基修饰，朝鲜淫羊藿中的同源基因已被证实体外催化鼠李糖基化，佐证了筛选结果的可靠性。

最值得关注的是第5个枢纽基因：一个此前在淫羊藿属中从未报道过的2″-O-糖基转移酶（与UDP-糖基转移酶相似度73%），其表达与朝藿定C积累显著正相关。团队据此推测，该基因可能催化淫羊藿苷向朝藿定C的转化——朝藿定C的生物合成研究此前几乎空白，这一发现为解析其合成途径提供了关键线索，目前该基因的功能验证工作正在推进中。qRT-PCR验证表明，5个枢纽基因的表达趋势与RNA-seq数据完全一致，转录组数据可靠性得到有力支撑。

图4　黄酮醇苷与基因模块的相关性分析及枢纽基因筛选。A：基因聚类树状图（12个共表达模块以不同颜色显示）；B、C：全部基因/基因模块与黄酮醇苷的相关性分析；D–F：筛选所得枢纽基因与部分强相关基因的可视化网络图；G：12个基因模块所含基因数量

图5　黄酮醇苷生物合成通路枢纽基因的qRT-PCR分析。A–C：RNA-seq测定的枢纽基因转录水平（FPKM）；D–F：RT-qPCR验证差异基因表达水平（T检验，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）

根茎叶柄皆入药：基因表达与成分分布互相印证

淫羊藿的叶片、根茎、叶柄均可入药。团队按部位取样开展qRT-PCR与HPLC联动分析，发现3个MYB转录因子与鼠李糖基转移酶在叶片中的表达显著高于根茎和叶柄，而2″-O-糖基转移酶在根茎中的表达显著更高；成分测定与之完美呼应——朝藿定C主要富集于根茎，朝藿定A、B和淫羊藿苷则主要分布在叶片。基因表达格局与成分空间分布的相互印证表明，这5个基因可作为标记基因，其表达水平有望直接反映不同淫羊藿种质乃至同一种不同部位的黄酮醇苷含量，为未来高通量筛选优质种质提供了便捷的分子指标。

图6　黄酮醇苷生物合成通路枢纽基因在淫羊藿根茎、叶柄和叶片中的表达水平。A：淫羊藿示意图（红圈与黑色箭头分别标示根茎、叶柄、叶片取样部位）；B–F：5种淫羊藿各基因在根茎、叶柄、叶片中的表达水平（T检验，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）

从分子机制到产业应用：为化学型定向育种奠基

“这5个枢纽基因不仅解释了5种淫羊藿之间含量差异的分子机制，更有理由相信该调控机制在淫羊藿属大多数植物中具有普适性。”团队第一作者杨佳欣博士表示，“它们就像基因‘路标’，让优质种质筛选从‘先种后测’走向‘知因选种’。”

当前，合成生物学已能在微生物底盘中表达淫羊藿基因、合成异戊烯基黄酮类化合物。本研究挖掘的关键调控基因——尤其是催化朝藿定C合成的候选糖基转移酶——将为现有合成体系的优化提供宝贵元件，助力实现这类高附加值成分的高效、优质异源生产，服务于淫羊藿黄酮醇苷在医药领域的深度开发。

该研究是同一生境下“代谢组+转录组”联合解析药用植物品质形成机制的一次成功实践，与团队此前建立的“资源收集—同质栽培—化学型分类”定向选育体系一脉相承，标志着淫羊藿化学型定向育种从表型筛选迈入分子机制解析的新阶段。“下一步，我们将加快推进枢纽基因的功能验证与分子标记开发，并深化与制药企业合作，让优质化学型种质尽快走向田间、走向车间，为中医药传承创新提供坚实的种质与分子支撑。”程春松博士表示。

图7　淫羊藿异戊烯基黄酮生物合成通路及部分相关商品展示。A：淫羊藿异戊烯基黄酮生物合成通路（黑框标示枢纽基因29584可能催化修饰的官能团，红框标示枢纽基因35851可能催化修饰的官能团）；B：部分含淫羊藿异戊烯基黄酮醇苷成分的商品

江西省、中国科学院庐山植物园杨佳欣博士与湖北科技学院李诗梦为该论文共同第一作者，湖北科技学院程琪庆博士与江西省、中国科学院庐山植物园程春松博士为共同通讯作者。参与本研究的还有庐山植物园杨娇、陈萍、郭敏、Muhammad Rafiq、谢钊启、罗意清、胡磊等。该研究得到国家自然科学基金（82260746、82404795）、江西省自然科学双千领军人才项目、江西省自然科学基金、九江市自然科学基金、九江—庐山市联合项目以及湖北省自然科学基金等项目的联合支持。

文章链接：https://doi.org/10.1186/s12870-026-09849-0