Multi-omics analysis reveals structural and transcriptional regulation specificity underlying differential benzylisoquinoline alkaloid accumulation in Coptis

生物 苄基异喹啉 木质部 转录调控 转录组 细胞生物学 根茎 基因 转录因子 植物 微分效应 基因表达调控 生物化学 生物碱 功能分歧 计算生物学 猕猴桃 运输机 毛茛科 基因表达 遗传学 植物进化
作者
Xufang Tian,Siyu Yang,Siyu Wang,Wěi Li,Guofeng Li,Shi Zhang,Jin Wang,Di Liu,Yifei Liu
出处
期刊:Horticulture research [Nature Portfolio]
卷期号:13 (3): uhaf338-uhaf338
标识
DOI:10.1093/hr/uhaf338
摘要

Abstract Coptis species are rich in protoberberine-type benzylisoquinoline alkaloids (BIAs). However, the differential BIA accumulation between Coptis chinensis and C. teeta, two primary botanical sources of traditional Chinese medicine ‘Huanglian’, remains mechanistically poorly understood. Here, we combined widely targeted metabolomics, matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging, histological characterization, and transcriptomic analyses to investigate the mechanisms underlying the specialized BIA accumulation in C. chinensis versus C. teeta. Clearly, we observed significantly elevated BIA accumulation in C. chinensis rhizomes compared to C. teeta, in particular, the preferential BIA localization within the cortical tissues of C. chinensis rhizomes, consistent with the anatomically expanded cortical and xylem regions. This structural specialization facilitates BIA compartmental distribution patterns. Integrated transcriptomic–metabolomic analysis further constructed a BIA biosynthetic regulatory network, identifying key transcription factors that synergistically promote BIA accumulation in C. chinensis rhizomes, establishing their roles as speciation-associated regulators of medicinal quality divergence between C. chinensis and C. teeta. Overall, this study provides the first integrated anatomical and transcriptional framework explaining interspecies differences in BIA accumulation, enabling the development of quality improvement strategies for medicinal plants.
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