Современные научные подходы, объединяющие геномику, транскриптомику и другие «омики», позволили ученым детально изучить Panax japonicus — многолетнее лекарственное растение из семейства Аралиевых, известное в традиционной китайской медицине как «Чжуцзешэнь». Этот родственник женьшеня давно используется для лечения различных недугов, однако его коммерческое применение и систематическое изучение долгое время были затруднены из-за отсутствия точных генетических данных. Новейшие исследования позволили создать комплексную картину того, как в растении синтезируются, изменяются и распределяются по тканям ценные биологически активные вещества — тритерпеновые сапонины.
Род Panax насчитывает около 20 видов, распространенных преимущественно в Восточной Азии и Северной Америке. В отличие от своих знаменитых сородичей, таких как женьшень обыкновенный (Panax ginseng), японский вид накапливает в своих корневищах исключительно высокую концентрацию гинзенозидов. Исследования показывают, что их содержание в корневищах Panax japonicus втрое выше, чем у американского женьшеня, и в семь раз выше, чем у женьшеня обыкновенного. При этом химический профиль растения уникален: если в обычном женьшене преобладают сапонины даммаранового типа, то в Panax japonicus — олеананового, что наделяет его особыми фармакологическими свойствами.
Разгадка генетической структуры Panax japonicus оказалась сложной задачей из-за его аллотетраплоидной природы, то есть наличия четырех наборов хромосом, и запутанного генома. Однако в 2022 году ученые впервые собрали полный эталонный геном этого растения, что стало настоящим прорывом. Анализ показал, что, несмотря на различия в размерах геномов у разных видов рода Panax, между ними сохраняется высокая степень сходства. У Panax japonicus были выявлены значительные расширения в семействах генов, отвечающих за вторичный метаболизм, то есть за производство тех самых ценных сапонинов.
Благодаря расшифровке генома и высокопроизводительному секвенированию ученые смогли точно определить, какие гены отвечают за синтез сапонинов и в каких частях растения они наиболее активны. Было установлено, что молодые корневища и их наружный слой (перидерма) являются основными «фабриками» по производству этих соединений. Исследования также подтвердили, что в узлах корневищ у некоторых разновидностей, например, Panax japonicus var. major с характерными «бусовидными» корневищами, концентрация гинзенозидов олеананового типа почти в четыре раза выше, чем в межузловых частях.
Передовые методы метаболомики позволили не только расширить каталог известных вторичных метаболитов, но и определить их точное пространственное распределение в тканях растения. С помощью масс-спектрометрии удалось выделить сотни сапонинов, включая десятки уникальных структур, не встречающихся у других видов женьшеня. Было наглядно показано, что гинзенозиды преимущественно концентрируются в наружном пробковом слое и флоэме корневищ. Кроме того, их общее содержание положительно коррелирует с возрастом растения, что важно для определения оптимальных сроков сбора урожая.
Комплексный анализ данных геномики, протеомики и метаболомики убедительно доказал, что качественные и количественные различия в распределении сапонинов по тканям Panax japonicus напрямую связаны с разной активностью генов. Ученые выявили конкретные ферменты, которые с высокой точностью коррелируют с выработкой отдельных гинзенозидов. Помимо сапонинов, новые методы позволили изучить генетический контроль метаболизма флавоноидов, процессы созревания плодов и покоя семян, что открывает широкие перспективы для агротехники.
Несмотря на фундаментальные открытия, ученые отмечают, что потенциал для исследований далеко не исчерпан. Следующим шагом должно стать применение технологий пространственной и одноклеточной «омики», которые позволят изучить биосинтез на уровне отдельных клеток. Это даст возможность не только глубже понять биохимию растения, но и создаст прочную основу для целенаправленного сохранения ценного гермоплазмы и разработки эффективных методов экстракции фармакологических соединений для пищевой и медицинской промышленности.