JGG | mGWAS解析穿心莲内酯积累遗传机制，发现双功能调控关键基因

         穿心莲作为传统抗炎中药材，其核心活性成分穿心莲内酯类二萜的合成调控机制一直是中药资源研究的关键难题。近期，广州中医药大学沈琦团队在Journal of Genetics and Genomics（JGG） 发表研究，借助代谢组全基因组关联分析（mGWAS），首次定位并功能验证了调控穿心莲内酯积累的关键基因，为穿心莲优质抗病育种提供了重要理论与基因资源。

文章题目：Metabolome-based genome-wide association study provides genetic insights into the andrographolide accumulation in Andrographis paniculata

期刊名称：Journal of Genetics and Genomics

影响因子：7.1

发表时间：2026年3月

作者单位：广州中医药大学、三亚中医医院

DOI号：10.1016/j.jgg.2026.03.013

研究思路：

 

研究背景

 

穿心莲（Andrographis paniculata）是经典抗炎中药材，核心药效物质为穿心莲内酯类二萜，包括：

• 穿心莲内酯（AD）
• 新穿心莲内酯（NAD）
• 14‑去氧穿心莲内酯（14‑DAD）
• 脱氢穿心莲内酯（DDAD）

但长期以来，控制这些活性成分积累的关键基因与分子机制仍不清晰，严重制约高含量、高抗性优良品种培育。

 

研究材料

 

76份种质+多组学强强联合

材料：76份来自华南主产区的穿心莲自然种质

技术：全基因组重测序+广泛靶向代谢组+mGWAS+群体结构分析+VIGS沉默+水稻异源转化

数据：575.43 Gb高质量测序数据，鉴定131,430个SNP、32,007个Indel

 

研究结果

 

1、群体结构清晰，代谢变异巨大

• 76份种质的4种内酯成分变异范围极广，且成分间呈显著正相关，符合mGWAS分析要求；

• 群体分为4个亚群，亚群间遗传分化显著（Fst最高达0.5407），群体LD衰减快，适合关联分析。

图1 对A. paniculata中四种二萜内酯的分析

图2 SNP在染色体上的分布及突变类型统计

图3 A. paniculata种群的种群结构与系统发育分析

 

2、mGWAS定位关键调控基因

• 针对14-去氧穿心莲内酯开展mGWAS，在12号染色体定位到一个显著关联位点；

• 该位点仅含1个候选基因CXN00004106，命名为ApNB-ARC25，编码NB-ARC结构域抗病蛋白；

• 基因内存在5个功能性SNP，单倍型变异直接影响内酯含量。

图4 14-脱氧穿心莲内酯的mGWAS分析结果及其在ApNB-ARC25进化树中的位置与变异特征分析

 

3、基因沉默验证正向调控功能

• 利用VIGS技术沉默ApNB-ARC25后，基因表达量下降超70%；

• 4种穿心莲内酯含量显著降低，二萜合成通路关键基因（CPS、KSL、GGPS等）同步下调；

• 证实ApNB-ARC25正向调控穿心莲内酯的合成与积累。

图5 ApNB-ARC25沉默对A. paniculata表型及代谢的影响

 

4、基因鉴定——BcUGT009催化UDP‑葡萄糖糖基转移的分子机制

• 将ApNB-ARC25野生型与突变型异源过表达至水稻；

• 转基因水稻稻瘟病抗性显著增强，突变型抗性更优；

• 水稻中二萜植保素含量大幅上升，萜类合成通路关键基因被激活；

• 证明ApNB-ARC25兼具调控药用代谢物合成、增强植物抗病性双重功能。

图6 转基因ApNB-ARC25水稻植株的抗性评估

 

5、分子调控机制

ApNB-ARC25 通过激活萜类骨架合成基因HMGR，上调下游二萜合酶基因CPS/KSL，进而促进穿心莲内酯的生物合成，同时激活植物免疫通路提升抗病能力。

 

研究总结

        本研究以穿心莲自然群体为材料，结合全基因组重测序与mGWAS，首次发现NB-ARC家族基因ApNB-ARC25是调控穿心莲内酯积累的关键基因，并证实其同时调控药用活性成分合成与植物抗病性。该研究不仅解析了穿心莲内酯生物合成的遗传调控机制，填补了药用植物二萜代谢调控研究的空白，还为穿心莲高含量、抗病分子育种提供了核心功能基因与分子标记，也为其他药用植物活性成分的遗传改良提供了可复制的研究范式。