青藏高原被譽為“世界第三極”和“亞洲水塔”，是全球生態(tài)安全的關鍵屏障。然而，隨著極端環(huán)境的變化和氣候波動，該地區(qū)的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)正面臨日益嚴重的沙漠化威脅。

沙蓬（Agriophyllum squarrosum）作為一種廣泛分布于亞洲沙漠的先鋒藥用植物，具有防風固沙、改良土壤和豐富藥用成分等多重特點，在青藏高原的多個高寒沙漠中很常見，因此被視為高寒沙漠生態(tài)修復的理想物種之一。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性和藥用價值，然而，造成這種差異的分子代謝機制尚未明確。

中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院馬小飛研究員團隊通過代謝組學與轉錄組學聯(lián)合分析，結合群體遺傳學手段，揭示了沙蓬高海拔生態(tài)型適應青藏高原極端環(huán)境及其藥用價值形成的分子生態(tài)機制。

代謝組學分析發(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。轉錄組學分析表明，共有16,680個基因在高海拔生態(tài)型中上調，而12,773個基因下調。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的合成等關鍵生物過程。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基因顯著上調。代謝組與轉錄組整合分析揭示，這些基因的上調表達直接促進了槲皮素-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基因的分化程度明顯高于中性遺傳標記，且該合成通路的15個相關基因中，有9個基因在高海拔群體中完全固定，說明沙蓬在適應青藏高原極端環(huán)境的過程中，黃酮合成途徑受到了強烈的定向選擇，并在遺傳、表達和代謝等多個層面上展現(xiàn)出顯著的適應性分化。此外，在高原種群中CCoAOMT基因受到平衡選擇，說明類黃酮參與了沙蓬對高原環(huán)境“平衡選擇-定向選擇”的協(xié)同適應，并在其生態(tài)位擴展和新生境定殖中發(fā)揮作用。

本研究整合了代謝組、轉錄組與群體遺傳學多維數(shù)據(jù)，解析了類黃酮與苯丙烷代謝通路基因的適應性分化機制，并構建了“基因表達-代謝物積累”的分子調控網(wǎng)絡。這不僅為高原藥用植物活性成分形成機制提供了理論依據(jù)，也為篩選抗逆基因資源、設計生態(tài)修復型作物育種策略奠定了分子基礎，為荒漠化治理從經(jīng)驗導向邁向精準調控提供了新的視角。

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農業(yè)科學院常玉曉研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略生物資源計劃植物種質資源創(chuàng)新平臺以及蘭州市青年科技人才創(chuàng)新項目等資金資助。

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性

沙蓬種群中CCoAOMT基因的單倍型分布及其基于轉錄組數(shù)據(jù)的兩種等位基因的表達情況