蒙古黄芪（Astragalus membranaceus var. mongholicus）是我国传统大宗药材黄芪的主要基原植物，其根部积累的异黄酮类化合物是其核心药效成分。多产地的田间调查发现，蒙古黄芪种质中存在红茎与绿茎两种自然变异类型。这一肉眼可辨的性状差异，是否与根部药效成分的积累存在关联？其背后的生物学机制又是什么？近期，北京大学-云南白药国际医学研究中心副主任叶敏教授团队在Horticulture Research杂志发表题为《Elucidating the mechanisms underlying differential anthocyanin biosynthesis and its link to stem color and root isoflavonoid levels in Astragalus membranaceous var. mongholicus》的研究论文，首次系统揭示了黄芪茎颜色与根部异黄酮积累之间的代谢关联，阐明了红茎形成的分子基础，并提出了以茎色作为早期种质筛选的可见表型参考指标。
1.茎色变异与根部成分的系统关联分析。
研究者对山西浑源、陕西子洲两大黄芪主产区的栽培种群以及前期收集的873份野生种质进行调查，发现茎色是变异最为显著的表型性状之一。进一步对红茎、杂色茎和绿茎植株根部进行HPLC-UV定量分析，发现红茎植株根部四种主要异黄酮（毛蕊异黄酮葡萄糖苷、毛蕊异黄酮、芒柄花苷、芒柄花素）含量显著高于绿茎植株（图1A-C）。在不同产地、不同生长年份（1-5年）的样本中，这一趋势均稳定存在（图1D-E）。GC-IMS挥发性成分分析亦显示，红茎植株根部挥发性有机物整体丰度更高（图1F）。综上，蒙古黄芪茎色表型与其根部化学成分积累之间存在稳定关联。
图1 不同茎色蒙古黄芪根部差异的系统比较。
2.红茎表型的代谢特征解析。
通过广泛靶向代谢组学分析，研究者发现红茎组织中特异性富集了5种花青素类化合物，包括锦葵色素-3-O-葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-半乳糖苷、矢车菊素-3-O-阿拉伯糖苷和矢车菊素-3-桑布双糖苷，其中前四种在绿茎中完全未检出（图2）。这一结果表明，矢车菊素型花青素的积累是红茎表型的代谢基础。
图2 红茎形成的代谢基础。
3.红茎形成关键生物合成基因的鉴定。
结合转录组测序与加权基因共表达网络（WGCNA）分析，研究者鉴定出6个与红茎表型高度相关的关键基因——AmC4H、AmCHS、AmCHI、AmF3H、AmF3'H和AmBZ1，它们在红茎组织中特异性高表达（图3）。
图3 红茎形成相关的候选基因鉴定。
4.红茎形成关键生物合成基因的功能表征。
通过体外酶促反应和体内毛状根转化实验，研究者系统阐明了这6个关键基因的催化功能。以两个羟基化酶为例：AmF3'H催化柚皮素生成圣草酚，AmF3H则可催化柚皮素和圣草酚分别生成二氢山奈酚和二氢槲皮素（图4）。
图4 AmF3'H和AmF3H的功能表征。
5.AmBZ1的底物特异性与结构基础。
糖基化是花青素生物合成的终末修饰步骤，在稳定花青素和提高其溶解性方面起着关键作用。研究者发现AmBZ1能够以矢车菊素为底物，分别利用UDP-Glc、UDP-Ara和UDP-Gal生成三种不同的糖基化产物，但无法催化矢车菊素-3-O-葡萄糖苷进一步糖基化生成矢车菊素-3-O-桑布双糖苷（图5A-C）。结合分子对接、定点突变和系统发育分析，研究者进一步阐明了AmBZ1底物选择性的结构基础（图5D-G）。
图5 AmBZ1的功能表征。
6.红茎表型伴随植株整体类黄酮代谢通路的重塑。
整合不同茎色蒙古黄芪根、茎组织的转录组和代谢组数据，研究者发现红茎植株不仅茎中花青素合成增强，其根部多个黄酮类和苯丙烷类代谢物的丰度及相关基因的表达水平也呈现整体上调趋势。这一结果提示，茎色差异可能伴随着整个黄酮代谢通路的系统性重塑（图6），从而为红茎性状与根部异黄酮积累之间的关联提供了可能的解释。
图6 茎色与根部异黄酮积累背后的代谢和转录协调。
综上所述，本研究系统证实了蒙古黄芪茎色与根部主要药效成分含量存在稳定关联，提出茎色可作为优质种质早期筛选的可见表型参考；明确了矢车菊素类花青素是红茎表型的代谢基础，鉴定并功能验证了6个关键合成基因；揭示了红茎性状与根部异黄酮积累的关联可能源于黄酮代谢通路的系统性重塑，为蒙古黄芪分子育种提供了重要靶点。
原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhag088。
北京大学-云南白药国际医学研究中心叶敏教授为论文通讯作者。北京大学药学院博士后陈怡为论文第一作者。研究工作得到了中国农业大学董学会教授的大力支持。该研究还得到了国家重点研发计划（2023YFA0914100）、国家自然科学基金（81891011）和中国博士后科学基金（2025M773890）的资助支持。
叶敏教授团队合影
