崔占虎，黃顯章，李超，李哲，李明杰，古力，劉大會(huì)，張重義*

1.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002；2.河南大學(xué) 附屬南陽(yáng)市第一人民醫(yī)院，河南 南陽(yáng) 473010；3.南陽(yáng)理工學(xué)院 河南省張仲景方藥與免疫調(diào)節(jié)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473004；4.唐艾生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 南陽(yáng) 473400；5.湖北中醫(yī)藥大學(xué)，湖北 武漢 430065

植物表皮毛是由原表皮細(xì)胞(最外層的胚胎細(xì)胞)分化而來(lái)的一種特殊的表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)[1]，通常形成于植物的葉、莖、花、根等器官表面。其形態(tài)特征、密度和生長(zhǎng)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(jù)細(xì)胞組成可將表皮毛分為單細(xì)胞毛和多細(xì)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(xì)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(shí)的表皮上，是植物長(zhǎng)期進(jìn)化形成的應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的特殊結(jié)構(gòu)。由于腺毛與藥用植物合成、分泌次生代謝產(chǎn)物之間具有一定關(guān)聯(lián)，因此，科研工作者們?cè)诖叫慰啤⑶芽?、菊科、大麻科和錦葵科植物中開(kāi)展了廣泛研究[5-10]。前期研究證實(shí)，藥用植物表皮毛具有抵御病蟲(chóng)害、減少蒸騰和提高抗逆性等作用。雖然表皮毛對(duì)大多數(shù)藥用植物來(lái)說(shuō)并非是關(guān)鍵性的，但是表皮毛的發(fā)育研究能夠?yàn)榧?xì)胞分化研究提供一定基礎(chǔ)[11]。同時(shí)，表皮毛還是藥用植物體內(nèi)部分次生代謝產(chǎn)物合成、代謝的場(chǎng)所，通過(guò)調(diào)控表皮毛的發(fā)育對(duì)提高目的次生代謝產(chǎn)物合成意義非凡。

隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的不斷發(fā)展，多組學(xué)聯(lián)合分析方法在植物研究中被廣泛應(yīng)用并扮演著重要的角色。目前，該方法除被應(yīng)用于植物表皮毛發(fā)育相關(guān)研究外，還廣泛應(yīng)用于植物其他器官的研究，例如生殖器官種子、花和果實(shí)[12-15]，營(yíng)養(yǎng)器官根、莖和葉[16-17]。此外，多組學(xué)還被應(yīng)用于藥用植物連作障礙形成的機(jī)制研究[18]、種質(zhì)資源鑒定[19]、次生代謝產(chǎn)物調(diào)控機(jī)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(duì)象，歸納總結(jié)多組學(xué)研究方法在藥用植物表皮毛內(nèi)含物成分分析、合成代謝和分子調(diào)控等方面的應(yīng)用情況，同時(shí)展望了多組學(xué)在藥用植物表皮毛研究中的應(yīng)用前景，對(duì)今后開(kāi)展其他藥用植物表皮毛發(fā)育及調(diào)控機(jī)制研究具有一定參考價(jià)值。

1 多組學(xué)概述

多組學(xué)(multi-omics)是一種將2種或2種以上組學(xué)關(guān)聯(lián)分析的研究方法，例如將基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀(guān)組學(xué)或微生物組學(xué)等組學(xué)數(shù)據(jù)加以整合，聯(lián)合分析并深入挖掘其生物學(xué)意義。隨著高通量測(cè)序技術(shù)和系統(tǒng)生物學(xué)的迅速發(fā)展，多組學(xué)研究方法已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究手段[21-22]。藥用植物表皮毛生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄、翻譯和代謝水平上的變化都可以用高通量測(cè)序技術(shù)定性和定量的檢測(cè)出來(lái)。因此，多組學(xué)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(xì)胞生命過(guò)程，獲取表皮毛生長(zhǎng)發(fā)育從表皮細(xì)胞到表皮毛個(gè)體水平的動(dòng)態(tài)變化情況，從而進(jìn)一步研究藥用植物表皮毛生長(zhǎng)發(fā)育及調(diào)控機(jī)制，提高藥用植物表皮毛及次生代謝產(chǎn)物含量，培育優(yōu)良品種。

2 多組學(xué)在藥用植物表皮毛研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、萬(wàn)方數(shù)字化期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)和谷歌學(xué)術(shù)(Google Scholar)網(wǎng)站的檢索功能(去除專(zhuān)利和引用)，以“多組學(xué)”分別并“藥用植物”“植物表皮毛”“藥用植物表皮毛”為檢索詞進(jìn)行中英文篇名檢索，檢索時(shí)間為2009—2019年。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以“多組學(xué)”并“藥用植物”為檢索詞檢索出來(lái)的文獻(xiàn)最多，近10年相關(guān)文章發(fā)表數(shù)量呈明顯的上升趨勢(shì)(圖1)。以“多組學(xué)”并“植物表皮毛”為檢索詞，共檢索到150篇相關(guān)文章。其中，2015年以前該類(lèi)文章發(fā)表較少；然而，以“多組學(xué)”并“藥用植物表皮毛”為檢索詞檢索到的文章少之甚少。通過(guò)以上檢索結(jié)果可以看出，多組學(xué)研究方法被越來(lái)越多地應(yīng)用到藥用植物表皮毛相關(guān)研究中。相信隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀(guān)組學(xué)或微生物組學(xué)等方法和系統(tǒng)生物學(xué)算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，通過(guò)整合多種組學(xué)高通量數(shù)據(jù)、建立多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析大數(shù)據(jù)庫(kù)，可以為今后用系統(tǒng)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(fā)育、內(nèi)含物合成代謝和分子調(diào)控的形成機(jī)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(xué)

藥用植物表皮毛能夠產(chǎn)生不同種類(lèi)的次生代謝產(chǎn)物，是萜類(lèi)、黃酮類(lèi)、多糖類(lèi)、酚類(lèi)和生物堿類(lèi)等天然產(chǎn)物合成、積累和儲(chǔ)存的“細(xì)胞化學(xué)工廠(chǎng)”。目前，針對(duì)部分藥用植物表皮毛中次生代謝產(chǎn)物的生物合成途徑及調(diào)控開(kāi)展了大量研究，并取得了一定成果。鑒于目前基因組測(cè)序和單細(xì)胞測(cè)序價(jià)格較為昂貴，用于可分泌次生代謝產(chǎn)物的藥用植物表皮毛研究的多組學(xué)聯(lián)合分析方法主要為轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組與代謝組三聯(lián)分析。轉(zhuǎn)錄組學(xué)被用來(lái)分析某一特異基因的表達(dá)與植物表型的關(guān)系，但是所轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA 并不是完全能夠被翻譯成蛋白質(zhì)，在部分研究中，通過(guò)將轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)相結(jié)合可以對(duì)復(fù)雜生命體細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控活動(dòng)加以解釋。代謝組學(xué)是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物，能夠直觀(guān)地將生物體內(nèi)真實(shí)發(fā)生的物質(zhì)代謝過(guò)程展示出來(lái)[23-25]。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析不足以解釋生物體內(nèi)某組織器官或細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜調(diào)控活動(dòng)時(shí)，代謝組學(xué)分析能夠獲得該組織器官或細(xì)胞生理學(xué)的瞬時(shí)快照，進(jìn)而實(shí)時(shí)定量反映出組織器官或細(xì)胞內(nèi)正在發(fā)生的物質(zhì)代謝過(guò)程。除此之外，轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組與表觀(guān)組關(guān)聯(lián)分析可以清楚地闡明基因表達(dá)和表觀(guān)遺傳變化的分子機(jī)制和生物學(xué)現(xiàn)象。也可通過(guò)將全基因組與轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析，深入研究藥用植物表皮毛的發(fā)育及基因表達(dá)等問(wèn)題，兩者相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。隨著轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的不斷發(fā)展，將對(duì)藥用植物表皮毛功能基因挖掘、發(fā)育機(jī)制研究發(fā)揮重要作用[26]。

4 多組學(xué)在藥用植物表皮毛研究中的應(yīng)用與展望

4.1 多組學(xué)在藥用植物腺毛研究中的應(yīng)用與展望

通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前，藥用植物腺毛的研究主要集中于腺毛內(nèi)含物的成分分析、合成代謝和分子調(diào)控方面。

4.1.1藥用植物腺毛內(nèi)含物成分分析 腺毛內(nèi)含物的成分分析是研究腺毛的基礎(chǔ)，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(cè)器靈敏度較高，還能同時(shí)滿(mǎn)足小樣品量的檢測(cè)。一般情況下，根據(jù)腺毛內(nèi)含物的性質(zhì)，選擇氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)或液質(zhì)聯(lián)用(HPLC-MS)等高靈敏度的質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行分析。此外，對(duì)于一些有著較強(qiáng)靶標(biāo)目的的植物腺毛代謝產(chǎn)物，需要聯(lián)合核磁共振技術(shù)共同定性分析[27]。藥用植物腺毛的內(nèi)含物主要為萜類(lèi)等揮發(fā)性物質(zhì)，故此前GC-MS在腺毛內(nèi)含物成分分析的研究中應(yīng)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(xué)方法完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥用植物腺毛的檢測(cè)。因此，代謝組學(xué)的研究對(duì)象正從藥用植物葉片逐步轉(zhuǎn)移到腺毛上，對(duì)腺毛內(nèi)含物進(jìn)行定性與定量分析。如研究人員已采用GC-MS 分別對(duì)大麻腺毛中大麻酚類(lèi)、萜類(lèi)化合物和羅勒腺毛中苯丙素的代謝圖譜進(jìn)行分析[28-29]。代謝組學(xué)僅局限于部分靶向化合物，而多組學(xué)聯(lián)合分析旨在運(yùn)用高通量等技術(shù)獲得更多維度的信息，以代謝組數(shù)據(jù)為分析主體，在多維度上建立關(guān)聯(lián)。相信今后藥用植物腺毛內(nèi)含物成分分析研究中，代謝組學(xué)關(guān)聯(lián)其他組學(xué)的研究方法能逐步受到重視并加以運(yùn)用。

4.1.2藥用植物腺毛內(nèi)含物合成代謝及分子調(diào)控研究 前期學(xué)者對(duì)藥用植物體內(nèi)腺毛內(nèi)含物的成分分析發(fā)現(xiàn)，萜類(lèi)化合物是藥用植物腺毛內(nèi)含物中最主要的成分，除了分泌萜類(lèi)成分外，還含有聚酮、多糖、生物堿等其他非萜類(lèi)成分，但非萜類(lèi)成分在藥用植物腺毛中的研究較少[30]。而且，對(duì)于藥用植物腺毛內(nèi)含物合成代謝及分子調(diào)控研究仍處于初級(jí)階段，比較完善、系統(tǒng)的理論體系尚未建成[31-32]。因此，本文主要對(duì)幾種研究較深入的藥用植物腺毛內(nèi)含物中的類(lèi)萜化合物合成代謝及分子調(diào)控研究進(jìn)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(lèi)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(diào)控機(jī)制對(duì)于培育青蒿素高產(chǎn)植株具有重要意義。Tellez等[35]報(bào)道了黃花蒿頭狀腺毛由10個(gè)細(xì)胞組成，之后Soetaert等[36]通過(guò)對(duì)黃花蒿腺毛轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)頭狀腺毛是青蒿素合成的場(chǎng)所。但是，對(duì)于腺毛內(nèi)青蒿素在每層細(xì)胞的分泌情況，仍然存在一定的爭(zhēng)議。Olsson等[37]采用定量反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(qRT-PCR)和激光顯微切割方法分析每層細(xì)胞青蒿素合成酶的表達(dá)情況，僅在腺毛頂端細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一種促青蒿素合成的關(guān)鍵酶(紫穗槐-4，11-二烯合酶)有所表達(dá)，故推斷青蒿素在腺毛頂端合成；然而，Soetaert 等[36]通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)分析，在每層細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)青蒿素合成所需的催化酶。此外，一些學(xué)者通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)等多種組學(xué)研究方法已經(jīng)從黃花蒿腺毛中克隆出了調(diào)控基因和轉(zhuǎn)錄因子，大量的報(bào)道已經(jīng)證實(shí)了腺毛細(xì)胞在控制青蒿素生物合成中有重要的作用[38-44]。Wu等[45]對(duì)黃花蒿腺毛與全葉中的蛋白表達(dá)情況進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)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(guò)程的多個(gè)蛋白。

薄荷醇被發(fā)現(xiàn)是存在于薄荷腺毛內(nèi)含物中主要的單萜類(lèi)化合物，同時(shí)，它也是薄荷中單萜類(lèi)化合物代謝的最下游產(chǎn)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(chǔ)存其代謝產(chǎn)物，可以作為植物萜類(lèi)代謝研究的良好模型[46]。經(jīng)過(guò)近幾年的組學(xué)研究，薄荷腺毛內(nèi)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(duì)薄荷烷型單萜的合成前體，可經(jīng)檸檬烯環(huán)化酶催化發(fā)生3、6位的羥化反應(yīng)形成反式薄荷烯醇等下游產(chǎn)物，而該催化酶在腺毛細(xì)胞中合成，通過(guò)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，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(xué)研究還表明薄荷腺毛結(jié)構(gòu)的阻隔及相關(guān)代謝酶的調(diào)控是導(dǎo)致薄荷醇累積的主要因素[52]。Champagne等[53]對(duì)薄荷腺鱗進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)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(guān)產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的57條蛋白。Jin等[54]對(duì)薄荷腺鱗和無(wú)腺鱗的葉肉組織分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序并比對(duì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被鑒定的3919條序列中，近67%存在明顯差異，其中涉及萜類(lèi)化合物合成代謝等多個(gè)過(guò)程。

荊芥穗來(lái)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(fā)油，故荊芥穗品質(zhì)的好壞與腺鱗的密度及內(nèi)含物成分的多少存在一定關(guān)系。在研究裂葉荊芥腺鱗代謝規(guī)律過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其主要萜類(lèi)化合物的代謝過(guò)程與薄荷基本相似，但最終代謝產(chǎn)物為胡薄荷酮。胡薄荷酮是薄荷腺毛內(nèi)萜類(lèi)化合物代謝最終產(chǎn)物薄荷醇的上游產(chǎn)物。推測(cè)其可能與裂葉荊芥腺鱗結(jié)構(gòu)的阻隔及相關(guān)代謝酶的調(diào)控有關(guān)[55]，下一步還需應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組或基因組等組學(xué)方法對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究。

4.2 多組學(xué)在藥用植物非腺毛研究中的應(yīng)用與展望

根據(jù)植物表皮毛是否具有分泌功能的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，非腺毛不具有分泌功能。因此，早期人們大多認(rèn)為植物體內(nèi)生物活性物質(zhì)合成與非腺毛的發(fā)育存在較小關(guān)系甚至不存在關(guān)系，所以植物非腺毛的研究一直不被關(guān)注。Marks 等[56]對(duì)擬南芥Arabidopsisthaliana(L.)Heynh.非腺毛的化學(xué)組成進(jìn)行分析，確定了非腺毛中木質(zhì)素和單糖的組分比例。Tozin 等[57]認(rèn)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(zhì)的合成、儲(chǔ)存和釋放。但是關(guān)于藥用植物非腺毛分子調(diào)控相關(guān)研究報(bào)道較少。2019年，Judd等[58]采用高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-QTOF-MS/MS)、半定量反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(semi-quantitative RT-PCR)、實(shí)時(shí)定量反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(real-time quantitative RT-PCR)和質(zhì)譜成像技術(shù)(mass spectrometry imaging)等結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)青蒿素在黃花蒿非腺毛細(xì)胞中也有合成。該報(bào)道不僅增加了人們對(duì)青蒿素合成場(chǎng)所方面的認(rèn)識(shí)、修正了目前青蒿素生物合成的觀(guān)念，還可能加速新的代謝工程方法的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)青蒿素的高產(chǎn)和穩(wěn)定生產(chǎn)。

通過(guò)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(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到藥用植物非腺毛研究的重要性。今后，除開(kāi)展非腺毛在藥用植物保護(hù)、分類(lèi)和藥材鑒別方面研究外[59]，應(yīng)更加注重應(yīng)用多組學(xué)研究方法探索藥用植物非腺毛與生物活性物質(zhì)代謝合成及其他重要但未見(jiàn)報(bào)道的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

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(xué)精準(zhǔn)技術(shù)的不斷發(fā)展和多組學(xué)聯(lián)合分析研究的不斷成熟，越來(lái)越多的科研工作者開(kāi)始關(guān)注藥用植物表皮毛與次生代謝產(chǎn)物調(diào)控之間的研究，而其他藥用植物表皮毛發(fā)育的多組學(xué)研究可以參考黃花蒿、薄荷等植物的研究策略。這對(duì)揭示藥用植物體內(nèi)活性物質(zhì)的合成、儲(chǔ)存和代謝具有重要的指導(dǎo)意義[60]。

隨著人們對(duì)藥用植物表皮毛研究的不斷深入，由表皮毛發(fā)育解剖學(xué)、組織化學(xué)、超微結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究已經(jīng)逐步發(fā)展到目前的表皮毛發(fā)育調(diào)控機(jī)制研究。顯而易見(jiàn)，憑借基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組或代謝組中的某一種組學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足藥用植物表皮毛發(fā)育相關(guān)的深層次研究，因此，應(yīng)用多組學(xué)聯(lián)合分析技術(shù)開(kāi)展藥用植物表皮毛發(fā)育及次生代謝產(chǎn)物合成調(diào)控機(jī)制研究勢(shì)在必行。

然而，就目前研究情況看來(lái)，我國(guó)大多數(shù)傳統(tǒng)藥用植物的表皮毛研究還處于簡(jiǎn)單的發(fā)育解剖學(xué)或組織化學(xué)研究階段，僅對(duì)很少一部分藥用植物表皮毛進(jìn)行了深入研究，如對(duì)黃花蒿表皮毛發(fā)育及青蒿素合成調(diào)控機(jī)制，其他藥用植物微觀(guān)組織下開(kāi)展表皮毛發(fā)育與次生代謝產(chǎn)物合成的研究報(bào)道甚少，這也暗示出多組學(xué)在藥用植物表皮毛相關(guān)研究中具有十分廣闊的前景。但是，多組學(xué)大數(shù)據(jù)聯(lián)合分析仍然面臨一定的挑戰(zhàn)，如何科學(xué)、有效地把多個(gè)組學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，從多組學(xué)大數(shù)據(jù)中挖掘更多有價(jià)值的信息，探究藥用植物表皮毛生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的奧秘，將是今后需要持續(xù)不斷去探索的問(wèn)題。