多組學策略在藥用植物表皮毛次生代謝調控中的應用與展望△

崔占虎，黃顯章，李超，李哲，李明杰，古力，劉大會，張重義*

1.福建農林大學，福建 福州 350002；2.河南大學 附屬南陽市第一人民醫院，河南 南陽 473010；3.南陽理工學院 河南省張仲景方藥與免疫調節重點實驗室，河南 南陽 473004；4.唐艾生態農業發展有限責任公司，河南 南陽 473400；5.湖北中醫藥大學，湖北 武漢 430065

植物表皮毛是由原表皮細胞(最外層的胚胎細胞)分化而來的一種特殊的表皮細胞結構[1]，通常形成于植物的葉、莖、花、根等器官表面。其形態特征、密度和生長位置在不同物種間或同一植物不同器官表面存在一定差異，藥用植物亦是如此。依據細胞組成可將表皮毛分為單細胞毛和多細胞毛，按其形狀又可分為頭狀、鉤狀、星狀等，表皮毛也可按照其是否具有分泌能力被分為腺毛和非腺毛[2]。腺毛又分為分泌型腺毛和非分泌型腺毛，不僅在被子植物中廣泛存在，在裸子植物和苔蘚植物中也有分布[3-4]。非腺毛是一種由表皮細胞分化而成的不具分泌功能的突起物，廣泛存在于植物地上器官如葉、莖、花及果實的表皮上，是植物長期進化形成的應對惡劣環境的特殊結構。由于腺毛與藥用植物合成、分泌次生代謝產物之間具有一定關聯，因此，科研工作者們在唇形科、茄科、菊科、大麻科和錦葵科植物中開展了廣泛研究[5-10]。前期研究證實，藥用植物表皮毛具有抵御病蟲害、減少蒸騰和提高抗逆性等作用。雖然表皮毛對大多數藥用植物來說并非是關鍵性的，但是表皮毛的發育研究能夠為細胞分化研究提供一定基礎[11]。同時，表皮毛還是藥用植物體內部分次生代謝產物合成、代謝的場所，通過調控表皮毛的發育對提高目的次生代謝產物合成意義非凡。

隨著現代分析技術的不斷發展，多組學聯合分析方法在植物研究中被廣泛應用并扮演著重要的角色。目前，該方法除被應用于植物表皮毛發育相關研究外，還廣泛應用于植物其他器官的研究，例如生殖器官種子、花和果實[12-15]，營養器官根、莖和葉[16-17]。此外，多組學還被應用于藥用植物連作障礙形成的機制研究[18]、種質資源鑒定[19]、次生代謝產物調控機制解析[20]等方面。本研究將黃花蒿ArtemisiaannuaLinn.、薄荷MenthahaplocalyxBriq.等表皮毛研究較為成熟的藥用植物作為闡述對象，歸納總結多組學研究方法在藥用植物表皮毛內含物成分分析、合成代謝和分子調控等方面的應用情況，同時展望了多組學在藥用植物表皮毛研究中的應用前景，對今后開展其他藥用植物表皮毛發育及調控機制研究具有一定參考價值。

1 多組學概述

多組學(multi-omics)是一種將2種或2種以上組學關聯分析的研究方法，例如將基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、表觀組學或微生物組學等組學數據加以整合，聯合分析并深入挖掘其生物學意義。隨著高通量測序技術和系統生物學的迅速發展，多組學研究方法已經成為生命科學領域不可或缺的研究手段[21-22]。藥用植物表皮毛生長發育過程中，細胞在轉錄、翻譯和代謝水平上的變化都可以用高通量測序技術定性和定量的檢測出來。因此，多組學研究方法可以從不同的維度更好地闡明藥用植物表皮毛細胞生命過程，獲取表皮毛生長發育從表皮細胞到表皮毛個體水平的動態變化情況，從而進一步研究藥用植物表皮毛生長發育及調控機制，提高藥用植物表皮毛及次生代謝產物含量，培育優良品種。

2 多組學在藥用植物表皮毛研究中的應用現狀

利用中國知網(CNKI)、萬方數字化期刊全文數據庫和谷歌學術(Google Scholar)網站的檢索功能(去除專利和引用)，以“多組學”分別并“藥用植物”“植物表皮毛”“藥用植物表皮毛”為檢索詞進行中英文篇名檢索，檢索時間為2009—2019年。結果發現，以“多組學”并“藥用植物”為檢索詞檢索出來的文獻最多，近10年相關文章發表數量呈明顯的上升趨勢(圖1)。以“多組學”并“植物表皮毛”為檢索詞，共檢索到150篇相關文章。其中，2015年以前該類文章發表較少；然而，以“多組學”并“藥用植物表皮毛”為檢索詞檢索到的文章少之甚少。通過以上檢索結果可以看出，多組學研究方法被越來越多地應用到藥用植物表皮毛相關研究中。相信隨著基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、表觀組學或微生物組學等方法和系統生物學算法的不斷發展和進步，通過整合多種組學高通量數據、建立多組學關聯分析大數據庫，可以為今后用系統的思維或方式從多角度、多層次、整體性地去深入研究藥用植物表皮毛發育、內含物合成代謝和分子調控的形成機制提供了重要的工具。

注：MP.藥用植物(medicinal plant)；PT.植物表皮毛(plant trichome)；MPT.藥用植物表皮毛(medicinal plant trichome)。

3 用于藥用植物表皮毛研究的多組學

藥用植物表皮毛能夠產生不同種類的次生代謝產物，是萜類、黃酮類、多糖類、酚類和生物堿類等天然產物合成、積累和儲存的“細胞化學工廠”。目前，針對部分藥用植物表皮毛中次生代謝產物的生物合成途徑及調控開展了大量研究，并取得了一定成果。鑒于目前基因組測序和單細胞測序價格較為昂貴，用于可分泌次生代謝產物的藥用植物表皮毛研究的多組學聯合分析方法主要為轉錄組、蛋白質組與代謝組三聯分析。轉錄組學被用來分析某一特異基因的表達與植物表型的關系，但是所轉錄出來的mRNA 并不是完全能夠被翻譯成蛋白質，在部分研究中，通過將轉錄組與蛋白質組數據相結合可以對復雜生命體細胞內的調控活動加以解釋。代謝組學是基因表達的最終產物，能夠直觀地將生物體內真實發生的物質代謝過程展示出來[23-25]。因此，當轉錄組和蛋白組數據聯合分析不足以解釋生物體內某組織器官或細胞內復雜調控活動時，代謝組學分析能夠獲得該組織器官或細胞生理學的瞬時快照，進而實時定量反映出組織器官或細胞內正在發生的物質代謝過程。除此之外，轉錄組、蛋白質組與表觀組關聯分析可以清楚地闡明基因表達和表觀遺傳變化的分子機制和生物學現象。也可通過將全基因組與轉錄組關聯分析，深入研究藥用植物表皮毛的發育及基因表達等問題，兩者相互驗證和補充。隨著轉錄組測序的不斷發展，將對藥用植物表皮毛功能基因挖掘、發育機制研究發揮重要作用[26]。

4 多組學在藥用植物表皮毛研究中的應用與展望

4.1 多組學在藥用植物腺毛研究中的應用與展望

通過查閱文獻發現，目前，藥用植物腺毛的研究主要集中于腺毛內含物的成分分析、合成代謝和分子調控方面。

4.1.1藥用植物腺毛內含物成分分析 腺毛內含物的成分分析是研究腺毛的基礎，而藥用植物表面的腺毛量一般較少，這就需要分析儀器的檢測器靈敏度較高，還能同時滿足小樣品量的檢測。一般情況下，根據腺毛內含物的性質，選擇氣質聯用(GC-MS)或液質聯用(HPLC-MS)等高靈敏度的質譜技術進行分析。此外，對于一些有著較強靶標目的的植物腺毛代謝產物，需要聯合核磁共振技術共同定性分析[27]。藥用植物腺毛的內含物主要為萜類等揮發性物質，故此前GC-MS在腺毛內含物成分分析的研究中應用最為廣泛。

目前，植物腺毛提取的方法逐漸成熟，而代謝組學方法完全可以實現對藥用植物腺毛的檢測。因此，代謝組學的研究對象正從藥用植物葉片逐步轉移到腺毛上，對腺毛內含物進行定性與定量分析。如研究人員已采用GC-MS 分別對大麻腺毛中大麻酚類、萜類化合物和羅勒腺毛中苯丙素的代謝圖譜進行分析[28-29]。代謝組學僅局限于部分靶向化合物，而多組學聯合分析旨在運用高通量等技術獲得更多維度的信息，以代謝組數據為分析主體，在多維度上建立關聯。相信今后藥用植物腺毛內含物成分分析研究中，代謝組學關聯其他組學的研究方法能逐步受到重視并加以運用。

4.1.2藥用植物腺毛內含物合成代謝及分子調控研究 前期學者對藥用植物體內腺毛內含物的成分分析發現，萜類化合物是藥用植物腺毛內含物中最主要的成分，除了分泌萜類成分外，還含有聚酮、多糖、生物堿等其他非萜類成分，但非萜類成分在藥用植物腺毛中的研究較少[30]。而且，對于藥用植物腺毛內含物合成代謝及分子調控研究仍處于初級階段，比較完善、系統的理論體系尚未建成[31-32]。因此，本文主要對幾種研究較深入的藥用植物腺毛內含物中的類萜化合物合成代謝及分子調控研究進行闡述。

青蒿素是一種主要合成于黃花蒿頭狀腺毛中的倍半萜類成分[33-34]，具有良好的抗瘧疾效果，研究其在黃花蒿腺毛中代謝調控機制對于培育青蒿素高產植株具有重要意義。Tellez等[35]報道了黃花蒿頭狀腺毛由10個細胞組成，之后Soetaert等[36]通過對黃花蒿腺毛轉錄組測序，發現頭狀腺毛是青蒿素合成的場所。但是，對于腺毛內青蒿素在每層細胞的分泌情況，仍然存在一定的爭議。Olsson等[37]采用定量反轉錄-聚合酶鏈反應(qRT-PCR)和激光顯微切割方法分析每層細胞青蒿素合成酶的表達情況，僅在腺毛頂端細胞中發現一種促青蒿素合成的關鍵酶(紫穗槐-4，11-二烯合酶)有所表達，故推斷青蒿素在腺毛頂端合成；然而，Soetaert 等[36]通過轉錄組學數據分析，在每層細胞中均發現青蒿素合成所需的催化酶。此外，一些學者通過轉錄組學、代謝組學及蛋白質組學等多種組學研究方法已經從黃花蒿腺毛中克隆出了調控基因和轉錄因子，大量的報道已經證實了腺毛細胞在控制青蒿素生物合成中有重要的作用[38-44]。Wu等[45]對黃花蒿腺毛與全葉中的蛋白表達情況進行了蛋白質組學方法比較，定性了涉及青蒿素生成、糖酵解、電子鏈傳遞等多種代謝過程的多個蛋白。

薄荷醇被發現是存在于薄荷腺毛內含物中主要的單萜類化合物，同時，它也是薄荷中單萜類化合物代謝的最下游產物。薄荷腺鱗是薄荷植株中完整的植物組織，能夠較為完整地儲存其代謝產物，可以作為植物萜類代謝研究的良好模型[46]。經過近幾年的組學研究，薄荷腺毛內含物薄荷醇的代謝途徑已較為清晰[47-49]。檸檬烯是薄荷中對薄荷烷型單萜的合成前體，可經檸檬烯環化酶催化發生3、6位的羥化反應形成反式薄荷烯醇等下游產物，而該催化酶在腺毛細胞中合成，通過組學研究發現，沉默3、6位羥化酶可以提高薄荷腺毛中檸檬烯的含量[50-51]。除此以外，多組學研究還表明薄荷腺毛結構的阻隔及相關代謝酶的調控是導致薄荷醇累積的主要因素[52]。Champagne等[53]對薄荷腺鱗進行蛋白質組學研究，共定性了1666條蛋白，其中包括參與單萜、苯丙素、酚醛等化合物的代謝及相關產物轉運的57條蛋白。Jin等[54]對薄荷腺鱗和無腺鱗的葉肉組織分別進行轉錄組測序并比對分析，結果發現，被鑒定的3919條序列中，近67%存在明顯差異，其中涉及萜類化合物合成代謝等多個過程。

荊芥穗來源于唇形科的裂葉荊芥Schizonepetatenuifolia(Benth.)Briq.，其花萼片上分布大量腺鱗。荊芥穗的有效成分是主要存在于腺鱗中的揮發油，故荊芥穗品質的好壞與腺鱗的密度及內含物成分的多少存在一定關系。在研究裂葉荊芥腺鱗代謝規律過程中發現，其主要萜類化合物的代謝過程與薄荷基本相似，但最終代謝產物為胡薄荷酮。胡薄荷酮是薄荷腺毛內萜類化合物代謝最終產物薄荷醇的上游產物。推測其可能與裂葉荊芥腺鱗結構的阻隔及相關代謝酶的調控有關[55]，下一步還需應用轉錄組、蛋白質組或基因組等組學方法對其調控機制進行深入研究。

4.2 多組學在藥用植物非腺毛研究中的應用與展望

根據植物表皮毛是否具有分泌功能的分類標準，非腺毛不具有分泌功能。因此，早期人們大多認為植物體內生物活性物質合成與非腺毛的發育存在較小關系甚至不存在關系，所以植物非腺毛的研究一直不被關注。Marks 等[56]對擬南芥Arabidopsisthaliana(L.)Heynh.非腺毛的化學組成進行分析，確定了非腺毛中木質素和單糖的組分比例。Tozin 等[57]認為，在部分唇形科和馬鞭草科植物中，非腺毛參與生物活性物質的合成、儲存和釋放。但是關于藥用植物非腺毛分子調控相關研究報道較少。2019年，Judd等[58]采用高效液相色譜-四極桿飛行時間串聯質譜法(HPLC-QTOF-MS/MS)、半定量反轉錄-聚合酶鏈反應(semi-quantitative RT-PCR)、實時定量反轉錄-聚合酶鏈反應(real-time quantitative RT-PCR)和質譜成像技術(mass spectrometry imaging)等結合的方法，發現青蒿素在黃花蒿非腺毛細胞中也有合成。該報道不僅增加了人們對青蒿素合成場所方面的認識、修正了目前青蒿素生物合成的觀念，還可能加速新的代謝工程方法的創新，實現青蒿素的高產和穩定生產。

通過以上研究不難看出，雖然近些年藥用植物非腺毛研究較少，但是研究者們已經開始認識到藥用植物非腺毛研究的重要性。今后，除開展非腺毛在藥用植物保護、分類和藥材鑒別方面研究外[59]，應更加注重應用多組學研究方法探索藥用植物非腺毛與生物活性物質代謝合成及其他重要但未見報道的功能。

5 結語

表皮毛廣泛存在于唇形科、菊科、茄科等藥用植物中，如艾ArtemisiaargyiLevl.et Vant.、廣藿香Pogostemoncablin(Blanco)Benth.、白英SolanumlyratumThunb.、碎米椏Isodonrubescens(Hemsley)H.Hara等。隨著單一組學精準技術的不斷發展和多組學聯合分析研究的不斷成熟，越來越多的科研工作者開始關注藥用植物表皮毛與次生代謝產物調控之間的研究，而其他藥用植物表皮毛發育的多組學研究可以參考黃花蒿、薄荷等植物的研究策略。這對揭示藥用植物體內活性物質的合成、儲存和代謝具有重要的指導意義[60]。

隨著人們對藥用植物表皮毛研究的不斷深入，由表皮毛發育解剖學、組織化學、超微結構等基礎研究已經逐步發展到目前的表皮毛發育調控機制研究。顯而易見，憑借基因組、轉錄組、蛋白質組或代謝組中的某一種組學已經無法滿足藥用植物表皮毛發育相關的深層次研究，因此，應用多組學聯合分析技術開展藥用植物表皮毛發育及次生代謝產物合成調控機制研究勢在必行。

然而，就目前研究情況看來，我國大多數傳統藥用植物的表皮毛研究還處于簡單的發育解剖學或組織化學研究階段，僅對很少一部分藥用植物表皮毛進行了深入研究，如對黃花蒿表皮毛發育及青蒿素合成調控機制，其他藥用植物微觀組織下開展表皮毛發育與次生代謝產物合成的研究報道甚少，這也暗示出多組學在藥用植物表皮毛相關研究中具有十分廣闊的前景。但是，多組學大數據聯合分析仍然面臨一定的挑戰，如何科學、有效地把多個組學數據關聯起來，從多組學大數據中挖掘更多有價值的信息，探究藥用植物表皮毛生長發育過程中的奧秘，將是今后需要持續不斷去探索的問題。