王宏斌/靳红磊团队揭示荆芥萜类活性成分生物合成的光调控机制
近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了来自广州中医药大学药用植物生理生态研究所王宏斌/靳红磊团队的研究论文“N6-Methyladenosine RNA Modification Regulates Light Intensity-Dependent Terpenoid Biosynthesis in Schizonepeta tenuifolia”。该研究揭示了荆芥中光强依赖性单萜生物合成中的转录后调控机制，为荆芥品质的遗传改良提供了新策略。
荆芥（Schizonepeta tenuifolia Briq.）作为重要的药用植物，已被广泛使用了数千年。荆芥不仅是是清热解毒类常用中药材，同时也是复方感冒胶囊、维C银翘片等众多明星产品的核心成分。萜类是荆芥重要的活性物质，其中薄荷酮、胡薄荷酮及柠檬烯等薄荷烷类单萜成分，具有抗炎、抗病毒、抗肿瘤、解热镇痛等作用(Shan et al., 2021; Zhao and Zhou, 2022 )。生长环境对于中药材品质形成具有重要影响。光作为重要的环境因子，不仅是植物光合作用的能量来源，更是调控次生代谢的关键环境信号(Zhang et al., 2021)。然而，目前光对于荆芥品质的影响及作用机制还不清楚。本研究发现光对荆芥薄荷烷类单萜成分有重要影响：
（1）光强影响荆芥薄荷烷类单萜成分的积累水平
为解析光照条件对荆芥次生代谢的调控效应，本研究设置了黑暗（0 μmol m⁻² s⁻¹）、生长光（140 μmol m⁻² s⁻¹）及强光（1,000 μmol m⁻² s⁻¹）三种处理组。叶绿素荧光检测表明，黑暗与强光处理均显著抑制荆芥光合效率（图1a-b）。然而，气相色谱-质谱（GC-MS）分析显示光强对薄荷烷类单萜代谢物的积累呈现特异性调控：强光显著促进柠檬烯和胡薄荷酮累积。黑暗强烈驱动薄荷酮富集，黑暗条件下荆芥中薄荷酮的含量较生长光和强光组提高了近40倍，而胡薄荷酮含量显著降低(图1g-l)。
图1. 不同光强条件下荆芥活性成分含量分析
有趣的是，研究人员进一步检测薄荷酮生物合成通路（MBP）相关基因的mRNA丰度发现，LS和PR分别作为薄荷酮生物合成途径的起点和终点，在光强处理下呈现相反趋势。LS mRNA丰度在光照下特异性上调，而PR mRNA丰度在黑暗下特异性升高，然而转录水平的变化不足以解释光强对荆芥薄荷烷单萜代谢物的特异性调控，转录组和蛋白组的不一致性更加提示存在转录后调控。
（2）光强改变荆芥薄荷烷单萜生物合成相关酶mRNA的m6A修饰水平
m6A作为mRNA上最丰富的RNA修饰，是重要的转录后调控方式 (Frye et al., 2018; Yang et al., 2018)。研究人员通过Dot blot以及LC-MS/MS分析荆芥在不同光强条件下荆芥的整体m6A修饰水平，结果显示黑暗处理可显著提高荆芥整体m6A修饰水平。荧光定量PCR结果显示荆芥中的大多数m6A writer （MTB、FIP37、HAKAI、VIR）在黑暗条件下的表达量显著高于光照条件，提示光条件可调控荆芥全局m6A修饰水平。接着通过m6A-IP-qPCR技术探究不同光强条件对荆芥薄荷烷单萜合成通路关键酶mRNA m6A水平的动态调控。结果显示，黑暗条件下MBP途径关键限速酶柠檬烯合成酶LS mRNA的m6A水平显著增加，而强光处理特异性上调胡薄荷酮还原酶PR mRNA的m6A修饰（图2）。
图2. 不同光强下荆芥的m6A修饰水平分析
（3）m6A修饰调控荆芥薄荷烷单萜的生物合成
为探究m6A修饰对荆芥薄荷烷单萜活性成分的影响，研究人员通过VIGS技术对荆芥的m6A writer（MTA、HAKAI、VIR）进行基因沉默。结果发现在黑暗条件和光照条件下荆芥MTA、HAKAI、VIR沉默植株中的柠檬烯、胡薄荷酮、薄荷酮含量均显著高于对照组（图3），提示m6A在荆芥薄荷烷单萜活性成分生物合成中发挥重要功能。
图3. m6A writer瞬时沉默对荆芥中薄荷烷单萜活性成分含量的影响
（4）m6A修饰调控薄荷烷单萜合成相关mRNA的稳定性和翻译
胡薄荷酮还原酶（PR）作为催化胡薄荷酮还原为薄荷酮的关键酶，了解其m6A介导的转录后调控机制，对于提高荆芥薄荷酮产量至关重要。研究人员发现在黑暗条件下m6A writer VIR沉默降低了PR mRNA上的m6A修饰水平，减缓了核酸酶切割及mRNA断裂，提高了PR mRNA的稳定性。进一步将PR mRNA的RRACH m6A motif破坏，使其不能写入m6A，可显著提高了PR蛋白的丰度（图4）。这些结果提示m6A可双重调控荆芥薄荷烷单萜合成通路关键酶mRNA的稳定性和翻译。
图4. m6A修饰对荆芥胡薄荷酮还原酶PR mRNA的转录后调控机制解析
综上，光强变化显著影响荆芥中重要活性成分薄荷烷类单萜的含量，m6A修饰在荆芥薄荷烷类单萜生物合成中发挥重要调控作用。光强改变薄荷烷类单萜生物合成相关酶基因mRNA的m6A修饰水平，从而影响其mRNA稳定性和翻译，由此调节了荆芥中柠檬烯、胡薄荷酮、薄荷酮的积累。本研究揭示了光强依赖性的m6A修饰通过调控萜类合成酶转录本的转录后命运，从而调节荆芥萜类化合物的生物合成。这些发现为开发提升药用植物活性成分积累的新策略提供了理论依据。
图5. m6A调控荆芥光强依赖性薄荷烷单萜生物合成的工作模式图
广州中医药大学药用植物生理生态研究所靳红磊教授和王宏斌教授为本论文的共同通讯作者，张曼博士、张清懿硕士、陈志荣博士、文舒琪硕士为共同第一作者，相关工作得到了国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、优秀青年科学基金，以及广东省基础与应用基础研究重大项目等的资助。
References:
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