摘要
光质作为设施栽培中可精准调控的环境因子，常通过重塑次生代谢网络影响药用植物有效成分积累与药材品质。为阐明红光对有柄石韦（Pyrrosia petiolosa）叶片黄酮代谢的调控效应及其分子机制，该研究将植株分别置于全光谱白光（WL）与纯红光（RL）条件下培养，采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）与RNA测序（RNA-seq）对叶片进行代谢组与转录组测定，并开展联合分析。结果表明：（1）与WL相比，RL处理使叶片黄酮相关代谢物显著上调109种，其中黄酮醇51种、黄酮34种。（2）山奈酚糖苷、阿夫儿茶素等含量显著增加，而柚皮素查耳酮、樱花素等含量降低，表明红光可能促进黄酮代谢向黄酮醇分支偏移。（3）转录组分析显示，黄酮生物合成关键结构基因F3H、FLS、DFR和LAR等显著上调；联合分析显示，差异表达基因与差异积累代谢物在KEGG中显著富集于黄酮生物合成等相关通路。综上认为，红光可通过上调黄酮生物合成关键节点基因并改变通路分支分配，促进有柄石韦叶片黄酮（尤其黄酮醇类）积累。该研究为利用光质调控提升有柄石韦药材有效成分含量、提高品质一致性及设施化精准栽培提供理论依据。
Abstract
Light quality is a controllable environmental factor in protected cultivation and can reshape secondary metabolism, thereby affecting the accumulation of active constituents and the quality of medicinal plants. In order to investigate the regulatory effects of red light on flavonoid metabolism in Pyrrosia petiolosa leaves and its molecular mechanism, plants were grown under full-spectrum white light (WL) and monochromatic red light (RL), and leaf metabolomic and transcriptomic profiles were generated using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and RNA sequencing (RNA-seq), followed by integrative analysis to associate differentially accumulated metabolites (DAMs) with differentially expressed genes (DEGs) and to identify key pathways and candidate regulatory nodes based on KEGG enrichment. The results were as follows: (1) Compared with WL, RL significantly increased 109 flavonoid-related metabolites, including 51 flavonols and 34 flavones. (2) The contents of kaempferol glycosides and afzelechin were markedly increased, whereas the contents of naringenin chalcone and sakuranetin were decreased, suggesting that red light may redirect pathway flux and promote a shift in flavonoid composition toward the flavonol branch rather than uniformly elevating all flavonoid subclasses. (3) Transcriptome analysis showed significant upregulation of key structural genes in flavonoid biosynthesis, including F3H, FLS, DFR and LAR, and both DEGs and differential accumulated metabolites were significantly enriched in the flavonoid biosynthesis pathway. In conclusion, red light promotes flavonoid accumulation (particularly flavonols) in P. petiolosa leaves by upregulating key biosynthetic genes and modulating pathway flux distribution. These findings provide a theoretical basis for light-quality-based regulation of secondary metabolism to improve the quality consistency of P. petiolosa and to support precision cultivation under controlled environments.
水龙骨科（Polypodiaceae）植物有柄石韦（Pyrrosia petiolosa）是一种重要的药用蕨类植物，主要生长在中国北方及长江中下游地区的山地裸露岩石或岩石缝隙湿润处。有柄石韦为中药石韦的基原植物之一，具有清肺止咳、利尿通淋和凉血止血等功效，临床上主要用于治疗热喘咳、小便不通、热淋、血淋、石淋和尿血等病症（国家药典委员会，2020），同时也是多种中药降糖方剂中的中药组成部分（常姣等，2023）。近年来，已有研究围绕有柄石韦的化学成分与药理作用展开（邓嘉惠等，2025），但进一步研究发现，石韦属植物的功效与化学成分会因生长环境不同而存在差异，导致临床疗效不稳定。邓嘉惠等（2025）研究表明，石韦属植物富含黄酮、酚酸等多类次生代谢物，其中黄酮类化合物既与其清肺止咳、抗炎抗氧化等药理活性密切相关，也常被作为药材质量评价与资源开发的重要关注成分。因此，从可控环境因子出发解析黄酮合成与积累的调控规律，对于提升有柄石韦药材品质的一致性与稳定性具有重要意义。
光是植物光合作用的原料，也是介导植物生长发育过程的重要生态因子，同时还能通过调控植物的防御机制与基因表达，影响其代谢产物的生成（Lazzarin et al., 2021）。植物会利用其特有的光受体[如隐花色素、紫外光受体和光敏色素（phytochrome，Phy）]协同感知外界环境中的光谱变化，并将光信号转化为细胞核内的转录调控响应，进而调控自身的次生代谢过程(Contreras-Avilés et al., 2024)。其中，红光主要由Phy感知，Phy在红光激活后由Pr型转变为Pfr型并进入细胞核，与PIF（phytochrome-interacting factors）等光信号负调控因子互作并促其降解，从而解除对光形态建成及次生代谢相关基因的抑制（Gao et al., 2023）。与此同时，光照可抑制COP1等E3泛素连接酶复合体的核内活性，促进HY5等正调控因子稳定积累（Mankotia et al., 2024）。HY5作为光信号下游核心转录因子，与MYB、bHLH等转录因子协同，直接或间接激活PAL、CHS、CHI、F3H、FLS和DFR等黄酮合成结构基因的表达，从而推动黄酮生物合成通路通量提升并影响不同分支产物的分配（Bhatia et al., 2021）。
从代谢途径层面看，黄酮类化合物属于苯丙烷代谢的下游重要分支，通常由PAL、C4H和4CL等催化形成对香豆酰辅酶A后，经CHS与CHI生成黄烷酮/查耳酮骨架，再由F3H和F3′H等羟化酶进一步修饰并进入不同分支，其中FLS催化形成黄酮醇（如山奈酚、槲皮素及其糖苷），而DFR、LAR/ANR等则与原花青素等分支存在底物竞争关系（Liu et al., 2023）。光质信号通常经由光感知与信号传递，引发下游转录调控，进而改变代谢途径关键节点酶的表达与底物分配，从而导致黄酮、黄酮醇及原花青素等亚类在含量与组成上产生差异（Wu et al., 2025）。例如，在银杏等物种中，红光处理可显著上调多种黄酮合成相关基因并促进黄酮积累（Zhang et al., 2021），表明红光可能通过增强F3H/FLS等节点活性而偏向促进黄酮醇等产物的形成。对植物而言，不同光质条件还会影响其对营养物质的吸收，包括钙（Ca）、铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）等金属元素，以及氮（N）、磷（P）、钾（K）等无机元素。其中，红光（600~700 nm）和蓝光（400~500 nm）在促进植物发育与类黄酮积累方面效果尤为显著（Zhang et al., 2022）。陈娴（2012）研究表明，红光可促进韭菜总氮含量的提升。在光合效率方面，红光波长与作物叶片中色素的吸收峰相契合，不仅能促进细胞分裂和细胞体积扩大，而且还能使叶绿素a和叶绿素b对红光的吸收效率高于蓝光，而蓝光则可通过增大气孔孔径，提高单位叶面积的光合能力（Ren et al., 2023）。Sathasivam 等（2023）研究表明，红光可通过激活光合色素、糖代谢及生长相关激素，促进羽衣甘蓝（Brassica oleracea）下胚轴伸长与生物量积累，而蓝光通常会抑制其伸长生长，但能强烈诱导苯丙烷类物质的生物合成，进而增加类黄酮含量，提升活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除能力与抗逆性（Bakhshy et al., 2025）。因此，在药用植物品质提升研究中，围绕红光信号通路与黄酮合成通路关键节点的耦合关系开展系统解析，既有助于阐明活性成分累积规律，也有助于为设施化精准调控提供分子依据。
此外，不同波长的光对植物而言属于非生物胁迫，会对植物生理层面的各项生命活动产生显著影响。对于药用植物而言，次生代谢产物是其应对环境胁迫的重要化学防御与适应性产物。黄酮类化合物具有较强的自由基清除与光保护功能，可参与调控ROS稳态、膜脂过氧化抑制及信号转导，因而在光胁迫条件下常表现为黄酮生物合成途径被激活并伴随其含量上升的响应特征（Agati et al., 2025）。红光不仅能通过影响光合电子传递与碳同化改变糖信号和还原力供给，还可能通过激素（如生长素、茉莉酸等）与防御信号的串扰，进一步调控苯丙烷/黄酮途径相关基因表达（Wu et al., 2025）。Yavari 等（2021）研究证实，光质变化会改变拟南芥（Arabidopsis thaliana）的净光合速率，同时其表型和生物量也会受到显著影响。Yang等(2022)发现，在蓝光环境中，箭叶淫羊藿（Epimedium sagittatum）会受到蓝光诱导，相关基因接受调控，进而影响黄酮类成分的合成；Yang等（2024）研究表明，不同颜色的覆盖膜能显著降低川贝母（Fritillaria cirrhosa）的幼苗枯萎数量，其中蓝色和绿色覆盖膜可显著增强川贝母的光合能力，蓝色覆盖膜处理对其品质提升效果尤为明显。
尽管目前对单一光谱效应的研究已较为深入，但是在有柄石韦中，光信号与其他代谢调控因子之间的相互作用尚未得到广泛探究，并且光质在提升有柄石韦品质方面的潜力仍不明确。基于此，本研究以有柄石韦为研究材料，设置全光谱白光与纯红光处理，采用LC-MS代谢组与RNA-seq转录组分析方法，通过差异积累代谢物（differentially accumulated metabolites，DAMs）筛选、差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）鉴定及通路富集分析等，拟探讨以下问题：（1）红光处理是否改变有柄石韦叶片黄酮类代谢物的积累水平及组成；（2）红光处理下黄酮生物合成相关基因的表达模式有何变化。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究供试材料采自广西中医药大学中药资源团队资源圃。选取生长状况良好，无病虫害且长势一致的1年生有柄石韦组培苗，将这些植株移栽至塑料花盆中，盆中栽培土壤由基质与黄泥土按体积比3∶1混合而成。
1.2 光质处理
试验于2025年8月在广西中医药大学中药资源团队植物培养室进行，LED配置纯红光（red light，RL）波长为620 nm，对照组为全光谱白光（white light，WL）。在有柄石韦光照试验期间，所有处理组的四周均用遮光布遮挡以避免其他光源干扰（图1）。每处理3次重复，共15盆，通过高度调控光强，各处理光照强度均为（25 ± 0.2）μmol·m-2·s-1。培养室温度为（25 ± 2）℃，相对湿度为55%~65%，光照周期为12 h光照/12 h黑暗，各处理进行相同的水肥管理。光照处理30 d后，每重复随机取10片健康无病叶片混合，无菌水冲洗干净后放进灭菌离心管用液氮速冻，贮存在-80 ℃超低温冰箱，进行代谢组和转录组测定。
图
1
不同光质下培育的有柄石韦
Fig.
1
Growth of Pyrrosia petiolosa under different light qualities
1.3 代谢组测序与分析
将有柄石韦叶片真空冷冻干燥后研磨至粉末状，加入-20 ℃预冷的70%甲醇水内标提取液进行提取，离心过滤后用于UPLC-MS/MS分析。色谱柱为 Agilent SB-C18（1.8 μm，2.1 mm × 100 mm）。流动相A为超纯水（加入0.1%甲酸），B为乙腈（加入0.1%甲酸）；流速为0.35 mL·min-1；柱温40 ℃；进样量2 μL。样品质谱信号采集采用正负离子扫描模式，质量扫描范围为70~1 050 m/z。基于武汉迈维代谢生物科技股份有限公司自建数据库MWDB（metware database）和代谢物公共数据库进行注释，代谢物定性主要依据保留时间、母离子信息及MS/MS碎片谱与MWDB谱库/公共数据库的匹配结果。定量采用三重四级杆质谱MRM模式，以峰面积积分（内标校正）进行相对定量。采用SIMCA14.1软件进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和正交偏最小二乘法判别分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA），采用Z-score 对过滤后的数据进行标准化处理。基于OPLS-DA结果，结合差异倍数（fold change，FC）和变量重要性投影（variable importance in projection, VIP）筛选差异积累代谢物（DAMs），即VIP≥1和FC≥2或FC≤0.5为DAMs。鉴定出的DAMs由KEGG数据库进行检索并映射到KEGG Pathway数据库，以获得其KEGG代谢通路信息。
1.4 转录组测序与分析
使用RNAprep Pure Plant Kit [天根生化科技(北京)有限公司]提取各样品总RNA，使用Qubit 4.0 荧光计（Thermo Scientific，USA）和Qsep400生物分析仪（Bioptic，China）检测RNA浓度及完整性。按照试剂盒说明书使用Illumina的NEBNext®UltraTM RNA Library Prep Kit 进行文库构建，使用Illumina高通量测序平台对cDNA文库进行测序。通过比较WL和RL，分析有柄石韦经不同光质处理后的基因表达变化。使用FastP软件进行转录组数据质量控制得到高质量测序数据，使用Busco软件对转录本进行完整性评估并作为后续分析的参考序列。利用Corset（https://github.com/Oshlack/Corset）对转录本进行层次聚类，得到最长Cluster序列作为Unigene进行后续分析。基于NR、KOG/COG、trEMBL、Swiss-Port、GO和KEGG数据库对组装完成的Unigene进行功能注释。使用DESeq2 R软件包对WL和RL组间基因表达量进行差异分析，采用Benjamini-Hochberg作为多重检验校正方法，得到错误发现率（false discovery rate，FDR）。满足|log2FC|≥1且FDR<0.05的基因被认为是处理间的差异表达基因（DEGs）。
1.5 实时荧光定量PCR验证
为验证转录组数据准确性，随机选择转录组中的DEGs进行PCR验证。使用Eastep® Super总RNA提取试剂盒（Promega，美国）提取处理组和对照组有柄石韦叶片的RNA，使用QuantusTM荧光计（Promega，美国）测定RNA纯度，琼脂糖凝胶电泳检测RNA的完整性。按照PrimeScript FAST RT reagent Kit with gDNA Eraser（TaKaRa，日本）试剂盒说明书操作合成cDNA，qRT-PCR使用ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix（Vazyme，中国南京），按制造商说明书进行。本研究中，所有基因设3个生物重复（每个生物重复包含3个技术重复）。本研究通过Primer Premier 5.0软件进行基因特异性引物设计（表1），采用2-ΔΔCt法计算候选基因相对表达量。
表
1
qRT-PCR的基因表达引物序列
Table
1
Gene expression primer sequences for qRT-PCR
1.6 数据统计及分析
试验数据用Excel 2021进行整理，SPSS 22.0进行统计分析，使用迈维云平台（https://cloud.metware.cn/）进行作图。
2 结果与分析
2.1 代谢组分析
2.1.1 代谢物统计分析
基于数据库比对，从WL和RL中共鉴定到1 772种化合物，其中黄酮574种（32.39%）、萜类343种（19.35%）、酚酸类323种（18.23%），还有生物碱、木质素和香豆素等共9类化合物（图2：A）。主成分分析（PCA）表明WL和RL样本间分离度良好，存在显著性差异且相同处理的重复样品代谢表征相似，其中第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）贡献率分别为47.64%和15.57%（图2：B）。通过对WL和RL差异代谢物聚类分析，RL中上调差异代谢物多于WL，说明红光处理可促进有柄石韦叶片中大部分次生代谢物的积累。以正交偏最小二乘法判别分析（OPLS-DA）依据各组的代谢谱来区分不同组别，结果显示R2X=0.617，R2Y=1.000，Q2=0.95，说明该模型可以充分揭示和预测两组间的差异（图2：C）。为了进一步检查OPLS-DA模型的可靠性，采用200次响应的置换检验对模型进行验证，随机模型的R2Y和Q2值小于原模型的R2Y和Q2值且Q2截距值<0，表明模型具有良好的稳定性和预测能力，未出现过拟合现象（图2：D）。
2.1.2 差异积累代谢物（DAMs）筛选
根据VIP>1和FC≥2或FC≤0.5为标准筛选DAMs并绘制火山图。RL_vs_WL中DAMs共307个，其中上调DAMs 169种、下调DAMs 138种（图3：A）。红光处理主要促进了有柄石韦叶片中黄酮的积累，共109种，占上调DAMs 64.49%（图3：B）。根据代谢物的log2FC值绘制含量差异动态分布图，标注上调和下调的前10种代谢物，橙皮苷（hesperidin）、柳叶素（lancerin）、金腰素（chrysosplenetin）等黄酮类代谢物含量大幅增加（图3：C）。
2.1.3 差异积累代谢物（DAMs）通路分析
将定性后的DAMs比对到KEGG数据库，结果显示有23个差异显著代谢物被注释到13条代谢通路中，在黄酮和黄烷醇生物合成、黄酮生物合成和次生代谢物生物合成途径中显著富集（图4：A）。上调DAMs中，共9个差异显著代谢物被注释到7条代谢通路中，在黄酮和黄烷醇生物合成和次生代谢物生物合成途径中显著富集（图4：B）；下调DAMs中，共13个差异显著代谢物被注释到11条代谢通路中，在黄酮生物合成和异黄酮生物合成途径显著富集（图4：C）。具体而言，下调代谢物富集的黄酮生物合成途径是植物体内合成各类黄酮类化合物的核心通路，其代表性下调代谢物包括柚皮素查耳酮和柚皮素等黄酮合成中间产物。这些前体物质在红光处理下含量降低，体现出黄酮合成通路早期步骤受到抑制，或上述中间产物被迅速转化用于下游产物合成。
图
2
红光（RL）与白光（WL）处理下有柄石韦叶片代谢组差异分析
Fig.
2
Overview of metabolomic differences in Pyrrosia petiolosa leaves under red light(RL) and white light(WL)
2.2 转录组分析
2.2.1 转录组测序数据统计与拼接
基于Illumina测序平台对红光处理组和白光对照组的有柄石韦叶片共6个样品进行转录组测序。6个测序文库共获得58.16 Gb有效数据，各样品有效数据为8.47~13.35 Gb。Q20和Q30分别为99.20%~99.45%和97.01%~97.92%，GC含量为48.35%~48.73%，质控结果表明测序质量良好，可以进行后续分析（表2）。通过NR注释结果推测供试样品转录本序列与其他物种序列相似度，注释到其他物种的转录本序列数目排序为铁线蕨（Adiantum capillus-veneris, 39.99%）>荷叶铁线蕨（A. nelumboides, 31.34%）>美洲水蕨（Ceratopteris richardii, 10.19%）>西班牙栓皮栎（Quercus suber, 9.71%）>川黔千金榆（Carpinus fangiana, 1.67%）。供试样本转录本序列与铁线蕨序列相似度最高，亲缘关系最近。
2.2.2 差异表达基因（DEGs）筛选
聚类分析显示3个平行样本间颜色相近，表明数据重复性较好；两组之间颜色差异明显，表示RL_vs_WL样本间存在显著性差异（图5：A）。使用DESeq2对供试样品进行组间差异表达分析，利用Benjamini-Hochberg方法对差异分析结果假设检验概率（P）进行多重假设检验校正得到错误发现率（FDR）。以|log2FC|≥1且FDR<0.05为标准筛选DEGs。RL_vs_WL中筛选得到12 939个DEGs，其中6 962个基因表达量上调，5 977个基因表达量下调（图5：B）。KEGG通路富集结果显示，RL_vs_WL中筛选到的DEGs共有4 071个被富集，红光处理后，DEGs在次级代谢物生物合成途径显著富集（P<0.05），说明红光可以促进有柄石韦叶片中次级代谢物相关调控基因的表达（图5：C）。
图
3
红光（RL）与白光（WL）处理之间差异代谢物筛选与总体分布
Fig.
3
Identification and overall distribution of DAMs between red light (RL) and white light (WL)
2.2.3 不同光质对有柄石韦黄酮代谢调控的影响
利用代谢组和转录组中共同富集到的KEGG pathway中的差异积累代谢物（DAMs）和差异表达基因（DEGs）进行关联分析，结果表明黄酮生物合成过程显著富集（P<0.05）（图5：D）。为了更好地探究黄酮类化合物在有柄石韦叶片中可能的调控网络，本研究基于黄酮生物合成相关的KEGG途径，得到不同光处理下有柄石韦叶片中差异代谢物和差异基因的调控网络关系图（图6：A）。红光处理后，有柄石韦叶片中上调代谢物鉴定出黄酮类化合物及其衍生物109种，其中黄酮醇51种、黄酮34种。山奈酚糖苷、阿夫儿茶素和表没食子儿茶素显著积累，而柚皮素查耳酮、樱花素、柚皮素和短叶松素则被抑制。红光处理下苯丙烷代谢途径中多数基因下调表达，如苯丙氨酸解氨酶基因（PAL）、4-香豆酸辅酶A连接酶基因（4CL）、查耳酮合酶基因（CHS）、查尔酮异构酶基因（CHI）、肉桂酸-4-羟化酶基因（C4H）和羟基肉桂酰转移酶（HCT）基因。随后，黄烷酮 3-羟化酶基因（F3H）和黄酮醇合成酶基因（FLS）表达上调，这一过程促进了山奈酚类黄酮和衍生物的生物合成。二氢黄酮醇 4-还原酶基因（DFR）、无色花色素还原酶基因（LAR）和花青素还原酶基因（ANR）基因上调表达会竞争黄酮醇和原花青素的底物。此外，本研究构建了黄酮调控（图6：B）和黄酮醇调控（图6：C）相关性网络图，其中基因以圆形表示，代谢物以方形表示。结果表明，F3′H（Cluster-27445.14）与3,5,7-三羟基黄烷酮、柚皮素、山奈素呈负相关，HCT（Cluster-50914.3）与3,5,7-三羟基黄烷酮和柚皮素呈正相关。
为验证黄酮类生物合成相关基因的相对表达模式，我们随机选取6个相关基因进行qRT-PCR分析，结果（图7）显示验证基因的基因表达模式与RNA-seq结果一致。
3 讨论
本研究结果表明，红光处理显著促进了有柄石韦次生代谢物中类黄酮和黄酮醇类化合物的积累。与白光对照相比，红光组中多种黄酮类衍生物（如山奈素、槲皮素等）的含量明显升高，黄酮和黄酮醇代谢途径被激活。同时，在其他物种（如埃及红菊薯）组织培养中，红光诱导下杨梅素、山奈酚等黄酮化合物的浓度显著高于蓝光和对照（Abdelhamid et al., 2025），表明红光可特异性促进具有抗菌活性的黄酮类代谢物合成。这一趋势与本研究的结果相一致，反映了红光对黄酮合成的促进作用在不同植物中具有共性。转录组分析进一步揭示了红光处理对黄酮代谢基因表达的影响。本研究中，多个黄酮合成途径的结构酶基因（F3H、FLS、DFR和LAR等）在红光下均上调表达。Zhang等（2021）对银杏叶研究也发现除个别FLS基因以外，大多数黄酮合成相关基因在红光下表达上升，这些基因的高表达为下游黄酮类化合物的大量积累提供了分子基础。Fang等（2020）对果实光照恢复实验的结论与本研究的发现也一致，认为去除果实遮光袋6 h后，梨果实中PpCHS、PpF3H和PpDFR等基因表达显著提高，表明光信号能够快速诱导黄酮合成基因表达。值得注意的是，本研究中红光处理使黄酮通路上游基因（如PAL、C4H）整体下调，而中下游关键基因（如F3H、FLS）上调并伴随黄酮产物积累。这种上游与下游基因表达相反的调控现象不同于部分物种在光照下全程酶基因共同上调的模式，体现出红光调控黄酮生物合成的复杂反馈机制和精细分层调控。苯丙烷途径的起始步骤往往会被下游代谢产物反过来调节，同时也受相关酶的活性与含量变化影响，中间体（如t-CA）可在供需匹配中促使上游转录回落，同时增强下游消耗，从而在转录层面呈现“上游低而下游高”的动态平衡（Wang et al., 2025）。此外，苯丙烷代谢关键酶可在膜相关位点聚集形成“酶复合体”，使底物在酶之间定向传递并提高局部传递效率，从而使下游分支在上游转录降低时仍可维持较高合成效率（Aravena-Calvo et al., 2024）。
图
4
RL_vs_WL差异积累代谢物的KEGG通路富集分析
Fig.
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KEGG pathway enrichment analysis of DAMs in RL_vs_WL
表
2
转录组测序质量分析
Table
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Quality analysis of transcriptome sequencing
然而，并非所有黄酮类代谢物在红光下都同步上升，本研究亦观察到部分代谢物（如柚皮素查耳酮、柚皮素和樱花素等黄酮合成中间产物）的含量相对白光对照显著下降。导致这些代谢物下调的原因可能在于底物竞争、转录调控差异以及代谢分支间资源分配的综合作用。一方面，红光诱导黄酮合成通路中下游关键酶基因（如F3H、FLS）的表达上调，增强了对共同前体的利用率，加速消耗了上游查耳酮和黄烷酮等中间物，从而降低了这些前体的自身积累（Lei et al., 2023）。同时本研究发现，黄酮合成早期的酶编码基因（如CHS、CHI）在红光下表达下调，而后续酶基因（如F3H、FLS、DFR等）显著上调，这表明红光有助于更多下游产物的合成。另一方面，红光处理可能优先促进某些具有较高生物功能价值的黄酮类产物积累（例如抗氧化能力更强的黄酮醇或具有抗菌作用的儿茶素类），相应地减少了另一分支（如异黄酮类）产物的合成投入（Sharathkumar et al., 2025）。总体而言，红光诱导的上述变化展示了植物通过调控代谢流向来再平衡黄酮合成网络的策略调整。
已有研究表明，红光可以调控药用植物次生代谢效应和机制，但不同物质的响应存在差异。一方面，红光能够激活光敏色素（Phy）信号通路，通过Phy介导下游激素与转录因子网络调控黄酮合成。例如，蓝光和红光共同诱导的R2R3-MYB转录因子FtMYB116可直接调控芦丁合成基因F3′H，并间接上调PAL、CHS、FLS和F3H等基因，从而促进苦荞麦中芦丁的积累（Wang et al., 2022）。另一方面，在部分药用植物中红光对黄酮积累的促进效应弱于蓝光，甚至可能拮抗蓝光诱导的黄酮积累（Ma et al., 2024），表明红光作用效果还取决于物种特性和光处理方式。这一“红光拮抗蓝光诱导效应”的现象可能与红光/蓝光信号在共同下游调控枢纽（如COP1-HY5等）处的整合方式及“生长-防御”资源分配权衡有关且对光谱配比、处理时长与物种背景具有依赖性。
图
5
转录组差异表达基因分析及与代谢组的通路关联分析
Fig.
5
Transcriptomic analysis of DEGs and pathway association analysis with metabolomics
图
6
RL_vs_WL黄酮生物合成途径中基因与代谢物变化及其相关性网络
Fig.
6
Changes in flavonoid biosynthesis pathway genes and metabolites in RL_vs_WL and their correlation networks
图
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qRT-PCR 验证差异表达基因
Fig.
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Verification of DEGs by qRT-PCR
已有研究通过优化LED光质组合来提高药用植物次生代谢产物的含量。例如，Bakhshy 等（2025）报道，通过优化Trigonella persica萌发阶段的光照条件，可显著提升其芽苗中总黄酮及其他药用成分含量。这表明，调整光质已成为提升中药材活性成分含量的有效途径。本研究通过代谢组-转录组联合分析，首次系统解析了蕨类药用植物有柄石韦在红光照射下的黄酮代谢调控机制，揭示了红光促进该蕨类植物黄酮合成的规律与细节。这一发现为利用光质定向调控蕨类药用植物活性成分的积累提供了新的理论依据。基于本研究获得的多组学数据，未来可筛选更多与红光响应相关的转录因子（如MYB、bHLH和WRKY家族），深入解析调控网络，从而为分子育种和基因工程提供靶点。在中药材精准化栽培中，可考虑通过补充红光等手段定向增强特定次生代谢产物的积累，从而改良药材品质，为今后中药现代化生产提供参考。
4 结论
本研究结果表明，红光处理显著促进有柄石韦叶片中黄酮类和黄酮醇类物质的积累。红光诱导了F3H、FLS、DFR和LAR等关键黄酮合成酶基因表达上调，增强了黄酮生物合成通路活性，从而提高了相关次生代谢产物含量。本研究成果为通过光质调控优化蕨类药用植物活性成分积累提供了理论依据。未来可进一步深入探讨红光调控黄酮合成的分子机制，并将红光照射技术应用于蕨类药用植物的精准化栽培，以提升有效成分含量和药材品质。