黄芩（Scutellariabaicalensis Georgi）是唇形科著名的药用植物，其干燥根部在中国被称为“黄芩”，是最常用的中药材之一，广泛用于抗菌、抗炎、抗病毒和抗肿瘤治疗（Do et al., 2021; Xiang et al., 2022）。黄芩的化学成分主要包括黄酮类、有机酸类化合物和皂苷类，其中黄酮类是其主要活性成分（Miao et al., 2022; Sun et al., 2020a）。黄芩苷是黄芩中含量最高的黄酮类化合物之一，也是《中国药典》评估黄芩质量的重要指标之一。最近的研究表明，黄芩提取物和黄芩素具有潜在的抗冠状病毒药物活性（Liu et al., 2021）。黄芩是清肺排毒汤的重要成分，清肺排毒汤是国家卫健委推荐用于新冠肺炎治疗的权威中药方剂（中华人民共和国国家卫生健康委员会, 2021）。目前，黄芩在中国北方广泛种植，对其药用成分的需求不断增加。因此，提高该物种的产量及其黄酮类化合物（包括黄芩素和黄芩苷）含量成为了重要的研究领域。在多种可控的环境因素中，光是至关重要的因素之一，因为光对植物光合作用具有重要性，不同的光质对植物的生长和发育有显著影响（Chen et al., 2021; Danziger and Bernstein, 2021），如红光和蓝光更有效地参与植物光合作用（Mccree, 1970）。植物已经进化出一系列光受体来响应光的特定方面，这决定了植物的生长和发育（Ahmad, 2016; de Wit et al., 2016）。在温室园艺中，发光二极管（LED）可以通过发射特定波长的光精确控制光谱组成，已被用于提高作物的产量和质量（Lazzarin et al., 2021; Ma et al., 2021）。例如，研究表明，与白光相比，红光照射下的苹果（Malus domestica）根长、侧根数量和根体积显著增加，而蓝光和白光之间的根指数没有显著差异（Li etal., 2021b）。红光和蓝光通过影响植物的激素水平和信号传导调节其生长和发育。例如，蓝光和红光促进了挪威云杉幼苗中赤霉素和吲哚-3-乙酸（IAA）的积累（OuYang et al., 2015）。与单色红光或蓝光相比，两种光的组合能显著刺激植物的光受体，从而影响其生长和发育（Spalholz et al., 2020）。之前的研究表明，单一的红光或蓝光无法促进番茄茎的伸长和生长，但当红蓝光的比例适当时，植物的生长状态达到最佳（Liang et al., 2021）。红光和蓝光通常用于温室农业种植，不仅影响植物的生长状态，还影响次生代谢物的生成。例如，红光和蓝光通过激活青蒿素合成相关基因的表达提高了黄花蒿（Artemisia annua）中青蒿素的水平（Zhang et al., 2018）。在某些物种中，红光和蓝光对次生代谢的影响有所不同。例如，在贯叶连翘（Hypericum perforatum）中，红光下金丝桃素和黄酮类化合物的含量显著增加，而蓝光和白光处理之间无显著差异（Sobhani Najafabadi et al., 2019）。类似地，红光被证明有效提高了蓝莓（Vaccinium spp.）中的花青素含量（Abou El-Dis et al., 2021）。红蓝光组合可以强烈刺激莴苣（Lactuca sativa cv. "Batavia"）中花青素和黄酮类化合物的积累（Sng et al., 2021）。对于药用植物育种者来说，一个重要的目标是优化活性成分的含量，同时提高产量。近年来，黄芩黄酮类化合物的生物合成及其调控机制得到了广泛研究（Zhao et al., 2016），但关于不同波长光对黄芩生长、发育和次生代谢影响的信息仍然缺乏。本研究利用红光和蓝光及其不同比例组合研究了它们对黄芩的影响。根据植物的形态特征和主要活性成分的含量确定了最佳的红蓝光比例。随后，利用靶向代谢组学和转录组学数据分析了最佳红蓝光组合促进黄芩生长及次生代谢物积累的潜在机制。通过代谢组和转录组数据的整合分析，鉴定了参与黄酮类化合物生物合成和调控的转录因子和酶的潜在光响应基因。本研究结果为黄芩的分子育种及LED应用于其优化生长和黄酮类药效的研究奠定了基础。结果3.1. 光处理对黄芩生长和生物量的影响不同光照显著影响了黄芩的生长（图1A）。与CK组相比，红蓝光组合处理组的植株高度显著低于CK组和单色光处理组（图1B）。与CK组相比，单色红光处理下，黄芩全株和根部的生物量分别增加了1.44倍和1.77倍，而单色蓝光处理组则无显著差异。R9B1和R7B3处理下，全株和根部生物量分别是CK组的2.23倍和3.53倍，2.04倍和3.45倍（图1C、D）。数据表明，与单色光处理和CK组相比，红蓝光组合显著抑制了植株高度。然而，R9B1和R7B3处理显著增加了黄芩幼苗全株和根部的生物量，而在较高比例的蓝光处理下，植物生长受到抑制。
4.1. 适当的红蓝光组合促进黄芩的生长和主要活性成分的积累植物对红光和蓝光的反应具有物种特异性（Izzo et al., 2020; Kong and Zheng, 2020; Liang et al., 2021）。例如，在红蓝光组合处理下，贯叶连翘（Hypericum perforatum L.）的根、叶和花的生物量随着红光比例的增加而增加，尤其是在100%红光处理下（Karimi et al., 2022）。在单色蓝光处理下，四周龄的豆薯幼苗的生物量显著高于单色红光、绿光和白光处理（Chung et al., 2019）。本研究得出结论，单色红光相比CK显著促进了黄芩根部和全株的生长，而蓝光对生长没有显著影响（图1）。Yeo等（2021）研究了在单色红光、蓝光和白色LED光处理下黄芩幼苗的初级和次级代谢物变化，发现白光LED最有效地促进了黄酮类物质（如黄芩苷、黄芩素和汉黄芩素）的生产。不同比例的红蓝光组合能够更好地控制植物生长和次生代谢物的生成（Bantis et al., 2018; Chen et al., 2019; Li et al., 2021a）。例如，适当比例的红光和蓝光可以显著促进大麻（Cannabis sativa L.）的生长和大麻二酚的积累（Wei et al., 2021）。在另一种唇形科著名药用植物丹参（Salvia miltiorrhiza Bunge）中，R=7:3的比例不仅促进了其生长，还促进了酚酸的生成（Zhang et al., 2020）。本研究发现，R9B1和R7B3组相比CK组或其他处理组，更有利于黄芩的生长和黄酮类物质的积累（图1，图2），这与丹参的研究结果类似（Zhang et al., 2020）。4.2. 组合光可激活黄芩的黄酮类合成途径多种在黄芩根部参与黄酮类合成途径的关键酶基因，如SbPALs、SbC4H、SbCLL-7、SbCHI、SbFNSⅡ-2和SbOMT已经被鉴定（Pei et al., 2022）。苯丙氨酸解氨酶（PAL）能够催化L-苯丙氨酸脱氨生成反式肉桂酸，不仅影响初级代谢，还影响次级代谢（MacDonaldand D'Cunha, 2007）。SbPAL1、SbPAL2和SbPAL3的过表达显著提高了黄芩中的黄芩苷、黄芩素和汉黄芩素含量（Park et al., 2012）。SbCLL-7在根中的表达量最高，且在SbCLL-7沉默的毛状根中，黄芩苷、黄芩素和汉黄芩苷的积累显著降低（Zhao et al., 2016）。SbCHI在根部的表达水平最高，SbCHI过表达的黄芩毛状根中黄芩素、黄芩苷和汉黄芩素的含量高于对照组（Park etal., 2011）。SbFNSⅡ-2在黄芩根中的表达水平较高，其沉默会显著降低毛状根中的黄芩苷、黄芩素和汉黄芩苷的含量（Zhao et al., 2016）。本研究中，R9B1和R7B3处理组的SbPAL3、SbCLL-7、SbCHI2、SbFNSⅡ-2和SbOMT1的转录水平显著上调（图5）。结果表明，适当的红蓝光组合（R9B1和R7B3）激活了黄芩黄酮类合成的关键酶基因，进而影响了黄芩中黄酮类物质的积累。4.3. 组合光对植物激素信号通路的影响光通过整合植物激素信号来控制各种发育或生理过程（Lau and Deng, 2010）。不同的R比例被观察到对马铃薯（Solanumtuberosum）的株高和生物量产生影响，这与多种内源激素的水平有关（Chen et al., 2021）。我们在R9B1和R7B3组中分别鉴定了17个和20个与植物激素信号相关的DEGs（表S3）。在这些DEGs中，CYCD3在R9B1和R7B3组中显著上调，而JAR1和PR-1在两组中显著下调（图6）。BRs在促进营养器官细胞伸长中起着至关重要的作用，最佳的根系生长需要平衡的BR信号（Gonzalez-Garcia et al., 2011）。CYCD3（BRs信号的组成部分）通过调控形成层细胞分裂来控制维管发育和器官生长（Collinset al., 2015）。茉莉酸（JA）参与植物的防御反应、次级代谢物的积累和根系发育（Chen et al., 2007; Gomi, 2020; Yan et al., 2007）。外源甲基茉莉酸的应用可以促进次级代谢物的生成并抑制根系发育（Chen et al., 2007; Kim et al., 2007）。JAR1是JA信号的主要激活因子，研究发现拟南芥jar1突变体对甲基茉莉酸的敏感性下降（Qiao et al., 2018）。PR-1基因作为SA介导的抗病标志物，不仅在植物防御中起着关键作用，还在非生物胁迫反应中发挥作用（Akbudak et al., 2020）。我们推测CYCD3、JAR1和PR-1是与黄芩在R9B1和R7B3处理下生长和次级代谢物积累相关的激素信号基因。
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