外源硒对百部生物碱合成相关基因表达的调控作用

引言：百部作为我国传统药用植物，其含有的百部生物碱是发挥止咳、杀虫等药理活性的核心物质基础，而百部生物碱的生物合成依赖于一系列基因的协同表达。硒作为植物生长发育必需的微量元素，不仅参与调节植物的抗氧化系统与代谢网络，还可通过信号传导途径影响次生代谢关键基因的表达，进而调控次生代谢产物的合成。

一、百部生物碱合成的分子基础与关键基因网络

百部生物碱属于异喹啉类生物碱的分支，其生物合成是一个多步骤、多基因参与的复杂代谢过程，核心路径可概括为“前体合成—中间产物转化—终产物生成”三个阶段，每个阶段均由特定的关键酶基因调控，形成紧密关联的基因表达网络。前体合成阶段，苯丙氨酸与酪氨酸是百部生物碱合成的核心前体物质，这两种氨基酸的合成效率直接决定生物碱合成的“原料供给”。中间产物转化阶段，异喹啉类生物碱的特征结构形成依赖于一系列甲基转移酶与氧化酶基因的协同作用。终产物生成阶段，将生物碱与葡萄糖等糖类分子结合，一方面增强生物碱的水溶性，促进其在细胞内的储存与转运。

二、外源硒调控百部生物碱合成相关基因表达的核心机制

（一）硒通过激活植物激素信号通路调控基因表达

植物激素是调控次生代谢基因表达的重要信号分子，外源硒可通过调节百部体内生长素（IAA）、茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）的含量与信号传导，间接影响生物碱合成相关基因的表达。一方面，硒可促进IAA 的合成。IAA 通过与细胞内的生长素受体结合，激活下游的ARF（生长素响应因子）转录因子，而ARF 可直接结合到PAL、TAT 基因的启动子区域，促进其转录表达；另一方面，硒可诱导JA 的积累，JA 作为植物应对环境胁迫的“防御信号”，其信号通路中的 MYC2 转录因子是调控次生代谢的关键节点，MYC2 可与 CYP450、COMT 基因的启动子区域的 G-box 元件结合，加速中间产物向终产物的转化。

（二）硒通过调节氧化还原平衡保障基因表达的稳定进行

百部生物碱合成过程中，CYP450 酶、TH 等关键酶的活性依赖于细胞内稳定的氧化还原环境，而硒是谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、硫氧还蛋白还原酶（TR）等抗氧化酶的核心组成成分，外源硒可通过增强百部的抗氧化能力，维持细胞内活性氧（ROS）的动态平衡，进而保障生物碱合成相关基因的正常表达与酶活性。当百部体内 ROS 水平过高时，会导致 DNA氧化损伤、转录因子失活，进而抑制 PAL、6OMT 等基因的转录；而外源硒可通过提升 GPX 的活性，清除细胞内过量的 HO，减少 ROS 对基因启动子区域的氧化损伤。

（三）硒通过代谢流重分配优化生物碱合成的资源供给

植物的初级代谢与次生代谢存在“资源竞争”关系，当百部处于正常生长状态时，光合产物优先分配到根、茎、叶的生长发育（初级代谢），而生物碱合成（次生代谢）的资源供给相对有限；外源硒可通过调控初级代谢关键酶的活性，实现代谢流的重分配，为生物碱合成相关基因的表达提供充足的物质与能量支持。一方面，硒可抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的活性，减少光合产物向有机酸合成的分配，增加磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）向苯丙氨酸、酪氨酸合成途径的流入，为 PAL、TAT 基因的表达提供充足的底物，提升前体物质的合成效率；另一方面，硒可促进蔗糖合成酶（SuSy）的活性，加速蔗糖向地下块根（百部生物碱的主要储存部位）的转运。

三、外源硒调控百部生物碱合成相关基因表达的影响因素与调控边界

从硒浓度效应来看，外源硒对百部生物碱合成相关基因的表达呈现“低促高抑”的剂量效应。当硒浓度处于 0.1～0.5mmol/L （适宜浓度）时，可显著上调PAL、TAT、CYP450 等基因的表达水平，促进百部生物碱的合成；这是因为适宜浓度的硒可适度激活JA、SA 信号通路，调节氧化还原平衡，实现代谢流的优化分配；而当硒浓度超过 1.0mmol/L （高浓度）时，会导致百部体内硒积累过量，产生氧化应激反应，过量的ROS 会损伤细胞结构，抑制转录因子（如 MYC2、ARF）的活性，进而下调生物碱合成相关基因的表达。

从生长发育期效应来看，外源硒对百部生物碱合成相关基因的调控效果存在显著的“发育期特异性”。在百部幼苗期，植株以营养生长为主，生物碱合成相关基因的表达水平较低，此时外源硒对基因表达的调控效果较弱，主要通过促进根系生长为后续生物碱合成奠定基础；在块根膨大期（百部生长的旺盛期），生物碱合成相关基因的表达水平显著提升，此时外源硒的调控效果最强，可通过激活 JA 信号通路与代谢流重分配，显著上调CYP450、6OMT 等基因的表达，促进生物碱的大量合成；在成熟期，百部的生长速度减缓，生物碱合成进入稳定期，此时外源硒的调控效果逐渐减弱，主要通过调节 UGT 基因的表达，促进生物碱的糖基化修饰与储存，减少生物碱的降解。

从环境胁迫交互效应来看，外源硒对百部生物碱合成相关基因的调控效果，还与环境胁迫（如干旱、低温、病虫害）的程度存在“协同或拮抗”作用。在轻度干旱胁迫下，百部会启动防御机制，JA、SA 含量升高，此时外源硒可与胁迫信号协同作用，进一步增强MYC2、NPR1 转录因子的活性，显著上调 CYP450、COMT 等基因的表达，促进生物碱的合成；而在重度干旱胁迫下，百部体内ROS 大量积累，细胞结构受损，此时外源硒的调控效果会被胁迫损伤所掩盖，甚至可能因硒的氧化应激效应，加剧基因表达的抑制。

结语：未来的研究方向可围绕以下方面展开：一是深入解析硒信号与JA、SA 信号通路交叉对话的分子机制，明确关键转录因子（如 MYC2、ARF）在硒调控百部生物碱合成相关基因表达中的作用靶点；二是通过转录组学、代谢组学、蛋白组学的多组学联合分析，构建外源硒调控百部生物碱合成的“基因-蛋白-代谢物”调控网络，挖掘更多未知的关键调控基因；三是结合基因编辑技术（如CRISPR/Cas9），对硒调控的关键基因进行定点突变或过表达，验证其在百部生物碱合成中的功能。

参考文献：

[1]周承观,杨丹丹,王孝勋.对叶百部总生物碱对单胺类神经递质影响的研究[J].壮瑶药研究,2023,(02):190-196+388.

作者信息：

唐妮蔚（2005-），汉族，湖南常德，本科，研究方向：林学黄锡义（2005-），汉族，湖北黄石，本科，研究方向：林学朱玲依（2002-），苗族，湖北利川，本科，研究方向：林学赵永浩（2005-），土家族本科，研究方向：林学蒙启俊（2005-），壮族，广西崇左，本科，研究方向：林学湖北民族大学大学生创新创业训练计划项目：S202310517075