文献解读 | “金毛狗”为何愈老愈醇？多组学挖出“分子层”原因！

背景介绍

金毛狗脊是一种古老的蕨类植物，在中国被视为一种中药材，其干燥根茎具有祛风湿、强腰膝等功效，活性成分包括黄酮、酚酸等。狗脊的采收呈现年限混杂问题，往往将生长年份不等的根茎混合，仅依靠形态大小粗略分级，缺乏反映内在质量的科学指标，造成了不同生长年限的药用植物其有效成分含量差异显著，药典标准目前基于原儿茶酸，难以覆盖其多成分、多靶点的特点，更关键的是，生长年限究竟如何影响狗脊药效物质基础这一科学问题长期空白。因此明确不同发育阶段的代谢特征，对确定最佳采收期、保障药材质量一致性至关重要。

 

材料方法

研究采集了同一野生金毛狗脊群落内样本，分为幼龄（YDS）、中龄（MDS）与成熟（MS）三组，每组5株，独立采样3次，取样后现场液氮速冻，−80℃保存，部分切片按药典工艺干燥。广泛靶向代谢检测基于UPLC-QTRAP-MS/MS，正负双模式扫描，内标校正，自建MWDB比对；数据经Z-score标准化后执行PCA与OPLS-DA，筛选差异积累代谢物，并用K-means进行时序聚类；基于Illumina NovaSeq 6000双端转录测序，CTAB法提取，因参考基因组比对率<70%而采de novo组装，StringTie估算FPKM，DESeq2鉴定差异基因；结合NR、Swiss-Prot、Pfam、GO与KEGG数据库完成功能注释及富集分析。针对黄酮通路，另建185种标准品MRM方法进行绝对定量，并随机选取8个关键结构基因（PAL、CHS、F3H、FLS等）以CbEF1A为内参进行qRT-PCR验证。统计上，代谢物与基因差异采用Student's t检验配合Benjamini-Hochberg FDR校正，黄酮含量比较使用双尾t检验，Pearson系数评价生物学重复的一致性。

 

结果讨论

研究显示，代谢物类别和丰度在YDS、MDS和MS间存在明显差异，主成分分析显示样本按发育阶段清晰聚类，表明代谢谱具有高度发育依赖性，对代谢物聚类分析及K-means动态分组显示，多个代谢物簇在MS阶段表达上调；进一步聚焦黄酮类发现36种黄酮被分为7个亚类，其中15种仅在MS中检出，且多数黄酮含量在MS显著高于YDS；转录分析显示，黄酮通路中的差异表达基因（DEGs）在MS阶段整体表达增强，GO和KEGG富集分析证实这些基因处于类黄酮合成通路；有关编码前体合成、核心骨架构建及修饰酶（如糖基转移酶UGT、甲基转移酶OMT）的基因在MS中普遍上调，表达丰度与黄酮积累趋势一致。关联分析显示，不同比较组间的DAFs存在部分重叠但也有阶段特异性，提示调控具有时序性，说明成熟期不仅增加黄酮总量，还通过转录激活修饰酶促进结构多样化；另外对于木质素合成相关基因发现其表达模式与黄酮通路部分重叠但趋势不完全一致，暗示两者在前体分配上可能存在代谢分流。

 

研究结论

研究通过代谢与转录整合分析，揭示了狗脊根茎在幼年期、中期和成熟期的黄酮类活性成分积累规律及其分子调控机制，发现了成熟期黄酮总量显著升高，且特有15种结构修饰型黄酮，为成熟采收提供了科学依据。研究将多组学策略应用于蕨类药用植物，丰富了中药质量形成理论，有望指导规范化种植与精准采收，提升药材质量稳定性，推动金毛狗脊的可持续利用与中药产业高质量发展。

 

结果展开

图1. 显示显现不同成熟度狗脊根茎及其代谢产物鉴定情况。

 

1. 显示幼龄狗脊完整根茎外观。
2. 显示中龄狗脊完整根茎外观。
3. 显示成熟狗脊完整根茎外观。
4. 显示幼龄狗脊新鲜根茎切片。
5. 显示中龄狗脊新鲜根茎切片。
6. 显示成熟狗脊新鲜根茎切片。
7. 显示幼龄狗脊干燥根茎切片。
8. 显示中龄狗脊干燥根茎切片。
9. 显示成熟狗脊干燥根茎切片。
10. 显示狗脊中所有代谢物质的类别分布。
11. 显示狗脊中所有代谢物质的数据主成分分析。

 

图2. 显示不同成熟度狗脊的代谢物分析情况。

 

A.显示所鉴定出代谢物的聚类热图。

B.显示不同类别代谢物的分组直方图。

C-J. 显示具有相似动态变化的代谢物可以分为6组。

E.显示幼年根茎所鉴定出代谢物的类别分类。

F.显示中期根茎所鉴定出代谢物的类别分类。

G.显示成熟根茎所鉴定出代谢物的类别分类。

 

 

图3. 显示不同生长年限狗脊根茎代谢成分的两两比较。

 

1. 火山图显示幼龄与中龄之间代谢成分比较。
2. 火山图显示幼龄与成龄之间代谢成分比较。
3. 火山图显示中龄与成龄之间代谢成分比较。
4. 直方图显示幼龄与中龄之间差异代谢物变化比较。
5. 直方图显示幼龄与成龄之间代谢成分变化比较。
6. 直方图显示中龄与成龄之间代谢成分变化比较。
7. 饼图显示幼龄与中龄之间代谢成分分类比较。
8. 火山图显示幼龄与成龄之间代谢成分分类比较。
9. 火山图显示中龄与成龄之间代谢成分分类比较。

 

图4. 显示三个发育阶段黄酮类代谢物富集情况的比较分析。

 

1. 聚类热图显示三组之间黄酮代谢物的对比，桑基图展示组别对比的对应。
2. Upset图显示三组之间黄酮代谢物交集情况。

 

图5. 显示不同生长年限狗脊根茎转录数据分析。

1. 显示黄酮类生物合成途径中涉及的差异表达基因（DEGs）的聚类热图，桑基图展示DEGs与相关GO术语之间对应关系。
2. 显示DEGs的GO富集通路。
3. 显示三个组别之间两两比较中最显著的15个KEGG通路。

 

图6. 显示有关黄酮类合成通路中关键酶基因的表达丰度。

 

1. 显示参与黄酮类生物合成的酶基因。
2. 显示黄酮类和木质素生物合成通路示意图，红色表示上调，蓝色表示下调。
3. 显示参与前体准备的酶编码基因。
4. 显示参与木质素生物合成的酶编码基因。
5. -G. 显示积累参与产生黄酮类衍生物的酶编码基因。

 

图7. 显示狗脊根茎中黄酮类代谢物含量的变化。

 

1. 显示幼年期狗脊根茎中黄酮类化合物的含量。
2. 显示成熟期狗脊根茎中黄酮类化合物的含量。
3. 显示黄酮类合成通路示意图。

 

参考文献：Wang FP, Chen LJ, Zhou SR, Tang M, Zhang X, Yan YH. Integrated metabolomic and transcriptomic analyses reveal temporal dynamics of secondary metabolite accumulation in Cibotium barometz rhizome. Front Plant Sci. 2025 Dec 5;16:1702726.