杜鹃花属植物（Rhododendron spp.）可能富含具有医药或工业价值的次生代谢物。然而，目前仍缺乏基因组水平的综合性代谢组研究，这制约了杜鹃花的广泛应用。贵州百里杜鹃自然保护区拥有世界上面积最大、种类最多且保存最完好的原始杜鹃林，每年吸引数百万名游客；其杜鹃花资源极其丰富。其中，生长于该区域的喀斯特地貌特有种——百里杜鹃（Rhododendron bailiense Y.P.Ma, C.Q.Zhang & D.F.Chamb.）具有较高的潜在研究价值。其特殊生境可能使其产生独特且有应用价值的次生代谢产物。2024年3月1日，该物种的高质量基因组公布，为深入探索其次生代谢物的生成模式奠定了重要基础（https://ngdc.cncb.ac.cn/gwh/Assembly/83793/show）。

近日，上海交通大学农业与生物学院申晓辉教授与贵州大学乔光教授合作，在国际期刊The Plant Journal（中科院1区TOP）上发表了题为“Metabolome and comparative genome provide insights into secondary metabolites generation of a rare karst-growing Rhododendron in vitro culture”的研究论文。该研究在全基因组水平上揭示了百里杜鹃的次生代谢物生成谱，为具有制药或工业意义的杜鹃花次生代谢产物的生物合成及生产提供了新见解与可能的策略。

本研究采用非靶向代谢组学和比较基因组学方法，分别探索了百里杜鹃的次生代谢物谱，并对比了其与传统中药材羊踯躅（Rhododendron molle (Blume) G. Don）在关键次生代谢物合成基因方面的差异（图1）。研究比较了光照处理和黑暗培养的百里杜鹃愈伤组织，发现代谢物的积累存在显著差异，特别是类黄酮、萜类化合物、香豆素和羟基肉桂酸，这些化合物具有抗氧化、抗癌和抗炎等药用效果。在黑暗培养条件下，具有促长寿健康功能的原花青素显著积累。对于萜类产物，光照条件下二萜和三萜产物显著增多；而黑暗培养条件下倍半萜产物显著增多（图1）。与羊踯躅相比，百里杜鹃同样富含萜类物质，但其还含有丰富的原花青素、倍半萜和羟基肉桂酸等药用活性产物，这是百里杜鹃的显著优势。百里杜鹃能够产生丰富的次生代谢物，主要归因于其基因组中含有多个高拷贝的关键酶基因，包括查尔酮合酶（chalcone synthase）、黄酮类化合物羟化酶（flavonoid 3-hydroxylase）、糖基转移酶（UDP:flavonoid-3-O-glucosyltransferase）、单萜与倍半萜合成酶（TPS-Monoterpenoids，TPS-Sesquiterpenoids）以及特定的细胞色素P450代谢酶（CYP71、CYP76、CYP79、CYP82、CYP736）（图1）。与羊踯躅基因组相比，这些基因在百里杜鹃中具有更高的拷贝数。

图1 论文图片摘要（Graphical Abstract）

上海交通大学已毕业博士生文苏麟为论文的第一作者，申晓辉教授和贵州大学乔光教授为共同通讯作者。贵州大学博士研究生蔡晓薇、周奎、闵义、尚春琼、申洛男、邓林和上海美吉生物的刘迪参与了研究工作。该研究得到了国家地方科技发展引导基金（[2023]009）等项目资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.17235