华南农业大学与华大生命科学研究院合作利用多组学技术揭示中药材广陈皮道地性形成机制

陈皮药材分为“陈皮”和“广陈皮”。广陈皮特指种植于广东新会地区的芸香科柑橘属茶枝柑 (Citrus reticulate ‘Chachi’) 的果实的果皮，广陈皮是广东省首批立法保护的八大岭南中药之一。黄酮类和萜烯类化合物是广陈皮中重要的两大类功效成分，在广陈皮的品质评定和临床疗效中起着重要作用。

新会陈皮产于广东省江门市的新会区，是中国药典指定的广陈皮道地药材，被视为陈皮中的“正品”，其品质显著高于广东周边和其他区域种植的陈皮。药用植物功效成分合成是从物种遗传调控，到产地气候、土壤养分、根系微生物等多维度互作的一个系统过程，但对其道地性形成的生物学机制研究依然不够充分。在遗传背景相同的情况下，土壤营养、根系微生物组如何影响植物药用成分合成和积累的生物学机制还知之甚少。

3月28日，华南农业大学与华大生命科学研究院合作在国际学术期刊Microbiome发表了题为“Soil conditions and the plant microbiome boost the accumulation of monoterpenes in the fruit of Citrus reticulata ‘Chachi”的研究论文，该研究通过植物转录组、代谢组以及宏基因组等多组学方法联合揭示了广陈皮道地产区特殊的土壤环境以及微生物组成促进广陈皮活性成分单萜合成和积累的生物学机制。该成果在解析广陈皮道地性形成机制上取得了理论突破，为中药材道地性评价提供了全新思路，也为道地药材专用菌肥研发提供了技术支撑。

本研究采集来自道地产区（广东新会）和非道地产区（广东惠州、台山和广西玉林）等7个果园中的土壤、根系微生物以及根、叶、果样本，采用多组学方法系统性地挖掘“土壤养分-根系微生物-广陈皮品质成分”的内在关联机制，从植物基因表达、土壤养分和根系微生物组三个维度对广陈皮品质形成的机理进行研究。

图1.茶枝柑样本采集示意图

Q1.道地产区和非道地产区茶枝柑果实中的挥发油成分有哪些差异？

通代谢组检测发现，在茶枝柑果皮中存在18种不同类型的挥发油成分。 其中7种单萜 （包含β-月桂烯、α-蒎烯、β-蒎烯、α-萜品烯等） 成分的含量在道地产区显著高于非道地产区。果皮中的这些单萜成分具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗炎和抗肿瘤的功效，是广陈皮中的重要的活性成分，可以作为广陈皮原材料质量评价的指标。

图2. 道地产区和非道地产区茶枝柑果皮中挥发油成分的区别

Q2.相同的品种，不同种植区域，茶枝柑基因表达会有哪些不同？

通过检测根、叶、果实中的基因转录差异发现，萜类合成相关的基因、盐胁迫相关基因以及免疫反应相关的基因在道地产区高表达，且这些高表达的基因与7种单帖成分的含量呈现显著正相关（图3）。说明这些基因的表达可能影响道地产区单萜成分的积累。另外，道地产区根样本中生物和非生物胁迫反应相关的基因数量比非道地产区的更多，说明道地产区和非道地产区土壤中的生物（如微生物组成）和非生物环境（土壤养分）条件可能不同。

图3 道地产区根系高表达基因与7种单萜成分呈现显著正相关

Q3.土壤养分如何影响茶枝柑品质成分的合成和积累？

土壤养分与中药植物次生代谢物产物的形成和积累相关，另外逆境胁迫也会提高植物次生代谢产物的合成。研究者通过检测道地产区和非道地产区的土壤理化性质发现，道地产区土壤中具有较高的营养元素和盐度。通过将道地产区特殊的土壤养分与根系高表达的基因的进行关联分析发现，道地产区特殊的土壤环境 (如高盐、Mg、Mn和K) 通过促进植物盐胁迫响应基因的表达和萜烯骨架合成酶活性，促进了单萜类合成与积累。

Q4.根系微生物组成调节茶枝柑品质成分合成和积累的生物学机制？

根系微生物组成可以调节植物营养吸收，帮助植物抵御逆境胁迫，影响药用植物功效成分的合成。研究者通过扩增子和宏基因组测序分别检测根际和根内微生物的物种组成和功能组成发现，道地产区和非道地产区的根际土壤和根内微生物组成存在显著差异。

在道地产区富集的根际土壤中有大量微生物基因组中存在大量耐盐相关的基因和萜类合成相关的基因，说明这些微生物具备耐盐的特性，且具备合成萜类化合物的潜能。通过将微生物组成与单萜成分进行关联分析，鉴定出了与单萜含量显著相关的根际和根内微生物类群。

图4 合成菌群接种试验证实道地产区特有耐盐微生物促进了茶枝柑单萜合成

通过分离根际和根内微生物菌株，合成菌群实验证实来自根际土壤中的链霉菌Strep-4能够通过诱导植物的系统性抗性来促进茶枝柑活性成分单萜的合成和积累。同时，加入一株根内共生的沙雷氏菌Serra-11可以进一步增强链霉菌Strep-4的效果。基因组测序发现沙雷氏菌Serra-11具备合成单萜的潜能，可以直接进入根内合成单帖的前体物质，从而进一步增强单萜的积累（图4）。这些研究表明根际土壤和内共生细菌通过触发植物免疫反应或为植物提供单萜合成中间产物共同促进了茶枝柑果实中单萜类化合物的积累。

Q5.特殊的土壤环境和微生物类群源自哪里？

广陈皮道地产区新会位于海水与江水的交汇之处（西江支流、潭江、银洲湖出海口三水交汇之处）。每年汛期西江会将云贵高原的土壤元素带到银洲湖，与潭江水交汇，在南海海潮倒灌时形成独有的“三水融通”“咸淡相交”水土特色，其丰富营养元素和海水盐类成就了新会土壤高营养和高盐度的特殊环境，同时引入了大量耐盐胁迫的微生物类群，这些环境因子进而造就了新会陈皮特殊的品质。

通过宏基因组学研究根系微生物组的结构和功能，与植物的表型进行关联分析，可以科学地发现与植物的生长、产量，品质以及抗病有关的微生物类群，同时发现大量具有潜在应用价值微生物的物种类群和基因资源。研究者从“土壤养分-根系微生物-植物基因调控模式”三个维度系统性研究广陈皮功效成分（萜烯类）高效合成的关联调控机制。鉴定影响中药材品质成分的关键土壤养分及目标微生物类群及其作用机理，科学地揭示了道地性药材广陈皮“道地性”的成因，为中药材的配方施肥、有益微生物的分离、种植规划、品质提升提供了科学依据，为广陈皮中药材产业的高质量可持续发展提供重要保证。

华南农业大学与深圳华大生命科学研究院联合培养博士苏建睦，深圳华大生命科学研究院王亚玉博士，华南农业大学白玫副研究员为该论文共同第一作者，深圳华大生命科学研究院刘欢研究员，华南农业大学药用植物研究中心吴鸿教授，为论文共同通讯作者，华南农业大学李永涛教授团队参与部分工作，中科院植物分子卓越创新中心王二涛研究员等参与。该研究工作得到了岭南现代农业科学与技术广东省实验室科研项目(NZ2021024)、广东省重点领域研发计划项目（2020B020221001）、广东省现代农业产业技术创新团队专项资金(2019KJ125)、“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目（2022SDZG07） 。

论文链接：

https://doi.org/10.1186/s40168-023-01504-2