在植物的奇妙世界里，有一种名为草果（Amomum tsaoko）的植物，它可是个 “宝藏”。草果是姜科豆蔻属的多年生草本植物，在中国云南、广西、贵州等地广泛种植，云南的产量更是占到了全国的 90%。它不仅是重要的药食两用植物，在传统医学中，能用来缓解腹痛、腹泻、痔疮、咽喉感染和疟疾等病症，现代药理研究还发现它具有抗菌、抗氧化、抗炎和抗肿瘤等多种生物活性，甚至在对抗新冠和非典等疾病的药物配方中也能看到它的身影。同时，草果还是一种备受欢迎的食品添加剂和香料，能为美食增添独特的风味。

草果之所以有这么多神奇的功效，主要得益于它含有的丰富活性成分，其中萜类化合物和姜黄素类物质是 “主力军”。萜类化合物是植物天然产物中结构最多样化的一类，在植物的生长发育、应对环境压力以及治疗人类疾病方面都发挥着重要作用。姜黄素则是一种广为人知的活性分子，具有抗炎、抗氧化、抗癌等多种药理活性，还能当作天然色素给食物增色添味。

不过，就像一座神秘的宝藏还有许多未被探索的角落一样，草果的研究也存在一些问题。以往对草果的研究大多集中在化学成分和药理活性上，对于萜类化合物和姜黄素类物质的合成途径以及关键基因的探索相对较少。为了深入了解草果活性成分的奥秘，解开其药用品质形成的机制，来自云南中医药大学等单位的研究人员展开了一场科学探索之旅。他们的研究成果发表在了《BMC Plant Biology》期刊上，论文题目是 “Transcriptomic and metabolomic study of the biosynthetic pathways of bioactive components in Amomum tsaoko fruits”。通过这项研究，他们成功绘制出了萜类化合物和姜黄素类物质的生物合成途径，揭示了多个促进其积累的关键基因和转录调控网络，为草果的进一步研究和应用奠定了坚实的基础。这一成果不仅对开发新药、提高作物价值意义重大，还为相关产业的可持续发展提供了有力支持。

研究人员为了完成这项研究，使用了几种关键的技术方法。他们运用转录组测序技术（对特定物种的 mRNA 进行高通量测序，能反映特定条件和时间点的基因表达情况），对不同发育阶段的草果果实进行测序，构建了 15 个 cDNA 文库。同时，利用代谢组学分析技术（对生物体在特定条件下的代谢物进行定性和定量分析），基于 UPLC - MS/MS 检测平台和自建数据库，对草果果实代谢物进行检测和分析。此外，还借助了加权基因共表达网络分析（WGCNA）技术，挖掘高度协同表达的基因簇，构建转录调控网络 ，以此深入探究草果活性成分的合成机制。

下面我们来看看研究人员都取得了哪些有趣的成果吧。

草果果实的发育过程就像一场奇妙的旅行。在最初的一两个月里，果实会逐渐膨胀，而在接下来的三个月里，它的大小就基本保持不变了，颜色也一直以红褐色为主，变化不太明显。为了弄清楚果实发育过程中代谢物变化的 “秘密”，研究人员对五个不同发育阶段的果实进行了代谢组学分析。

通过 UPLC - MS/MS 检测平台和自建数据库，他们发现草果果实中竟然有多达 13 类、1879 种代谢物！其中，酚酸类物质的数量最多，就像班级里的 “学霸”，总是脱颖而出；其次是黄酮类、氨基酸及其衍生物和萜类化合物。

研究人员还发现，不同发育阶段的草果果实代谢物有着明显的差异。通过 OPLS - DA 分析（一种能区分不同组样本的统计方法），他们发现同一发育阶段的样本会聚集在一起，而不同阶段的样本则明显分开，这说明每个发育阶段的代谢物特征都很独特。进一步分析发现，在相邻阶段的比较中，七月果实（JF7）和六月果实（JF）这一组的差异积累代谢物（DAMs）数量最多，这意味着这个阶段的代谢物变化最为活跃。

研究人员又对这些 DAMs 进行了 K - means 聚类分析，发现它们可以分为八个主要类别。其中，第 7 类的代谢物数量最多，它们在果实发育过程中积累量逐渐减少，就像下山的缆车，一路向下；第 3 类的代谢物在五月果实（MF）和 JF 阶段积累量较高，之后逐渐减少；而第 8 类和第 6 类的代谢物则随着果实发育积累量逐渐增加，仿佛是在爬坡的汽车。特别值得一提的是，一些萜类和酚酸类代谢物在 JF7 阶段积累量达到最大。

KEGG 富集分析还表明，前三个相邻阶段比较组的 DAMs 主要富集在与萜类和姜黄素类生物合成相关的途径中，这就像是给研究人员指明了探索活性成分合成路径的方向。

研究人员利用高通量测序平台对五个不同发育阶段的草果进行转录组测序，构建了 15 个 cDNA 文库。经过一系列严格的数据处理，得到了高质量的测序数据。

通过分析，他们发现了 14205 个差异表达基因（DEGs）。和代谢组分析的结果一样，JF7 和 JF 这一组的 DEGs 数量也是最多的。

GO 富集分析显示，JF 与 MF 组、JF7 与 JF 组的富集 GO 术语有很多相似之处，主要包括 “血红素结合” 和 “细胞外区域” 等。而且，前三个相邻阶段比较组的 DEGs 还富集在与萜类合成相关的 “二萜生物合成过程” 和 “萜烯合酶活性” 等术语中。KEGG 富集分析也表明，相邻阶段比较组的 DEGs 都富集在与萜类和姜黄素类合成相关的途径中，这进一步证实了代谢组分析的结果。

萜类化合物是草果果实挥发油的主要成分，就像房子的主要建筑材料。为了更深入了解果实发育过程中萜类生物合成途径的变化，研究人员对相关的 DAMs 和 DEGs 进行了详细分析。

他们发现，在果实发育和成熟过程中，1,8 - 桉叶素、枞酸和异海松酸的积累量逐渐增加，就像储蓄罐里的钱越来越多；而京尼平酸的积累量则稳步下降。还有些化合物，比如铁锈醇，在 MF 阶段积累量最低，在 JF 阶段达到峰值，之后又逐渐减少；而海松酸在 JF7 阶段积累量达到最高。

在参与萜类生物合成途径的 39 个基因中，一半的基因在 SF 阶段表达量最高，还有些基因在 MF 或 JF 阶段表达量达到峰值，只有三个基因在 JF7 阶段表达量最高。

为了进一步探究萜类生物合成的分子机制，研究人员进行了 WGCNA 分析。他们发现 1,8 - 桉叶素的积累与 MEtan 和 MEmidnightblue 模块高度正相关，枞酸的积累与 MEgreenyellow 模块高度正相关，海松酸的积累与 MEpink 模块高度正相关。通过筛选，还找到了与萜类生物合成途径相关的基因和转录因子（TFs），其中三个基因（Ats18G00267700、Ats14G00212560 和 Ats14G00197850）与 1,8 - 桉叶素和枞酸的积累表达高度相关，36 个 TFs 的表达也与它们的积累显著相关，这些 TFs 来自 AP2 - ERF、bHLH、WRKY 等多个转录因子家族。

姜黄素类物质是草果的主要特征化合物之一。研究人员发现，在姜黄素类生物合成途径中，共有三个代谢物和 24 个基因。姜黄素在 MF 和 JF 时期积累量较高，而双去甲氧基姜黄素（BDMC）和去甲氧基姜黄素（DMC）在 JF7 时期积累量达到峰值。

在这 24 个基因中，编码 PAL、C4H 和 DCS 酶的三个基因在 SF 时期表达量最高，其余基因在 MF 或 JF 时期表达量较高。通过 WGCNA 分析，发现姜黄素的积累与 MEred 模块密切相关，还找到了三个基因（Ats12G00174610、Ats14G00202690 和 Ats06G00094720）和 47 个 TFs（如 MYB、bHLH 和 bZIP 家族）与姜黄素的积累高度相关。

为了确保转录组数据的准确性，研究人员就像严谨的侦探一样，选取了八个候选基因进行 qRT - PCR 验证。结果发现，这些基因在草果果实不同发育阶段的表达模式与转录组数据相似，这说明他们的 RNA 测序和 qRT - PCR 分析结果非常可靠，可以用于深入研究草果果实代谢物的转录调控。

研究人员通过对草果果实五个不同发育阶段进行转录组和代谢组分析，全面探究了萜类化合物和姜黄素类物质的代谢物及相关基因调控途径。他们成功绘制出了这两类物质的生物合成途径，找到了多个促进其积累的关键基因和转录调控网络。

虽然研究没有对筛选出的关键基因和 TFs 进行进一步的实验验证，但结论是基于大量的 RNA - seq 数据、严谨的生物信息学分析以及丰富的研究文献得出的。这项研究深入探究了草果果实药用品质的形成机制，为草果香料和天然色素成分的应用提供了科学指导，让我们对草果特定代谢物的生物合成有了更深入的了解。同时，研究揭示的萜类和姜黄素类化合物的生物合成途径，也为提高其他有价值植物代谢物的产量提供了科学依据。这一成果无论是在医药领域开发新药，还是在农业领域提高作物的营养和经济价值方面，都具有重要意义，为相关产业的可持续发展注入了新的活力，就像为植物科学研究的大厦添上了一块重要的基石。