IB-CAS  > 中科院植物分子生理学重点实验室
天山雪莲的苯丙素生物合成途径解析和基因工程调控
其他题名Metabolic Analysis and Engineering of Phenylpropanoid Biosynthesis in Saussurea involucrata
仇键
学位类型博士
导师林金星 ; 赵德修
2011
学位授予单位中国科学院植物研究所
关键词天山雪莲 抗氧化活性 苯丙素代谢途径 代谢谱 转录组 基因工程 转录因子 代谢调控
摘要雪莲是菊科(Asteraceae)凤毛菊属(Saussurea)多年生药用植物, 具有散寒除湿、活血通经、抗炎、镇痛等功能。植化分析显示类黄酮、香豆素、木质素等苯丙素化合物是雪莲中重要的一类活性成分, 具有抗氧化、抗病毒、抗肿瘤等活性。因此, 苯丙素化合物对雪莲质量和疗效具有重要影响。 雪莲作为历史悠久的多民族药材, 用药种类多且入药混乱, 目前缺乏统一的质量评价标准。考虑到苯丙素化合物对雪莲品质的重要性,本研究建立了一套快速检测苯丙素成分的超高效液相色谱(UPLC)分析方法, 并结合抗氧化活性评价, 对不同种类的雪莲进行了较全面的品质评估。结果显示:1) 3种野生雪莲中,天山雪莲(S. involucrata)在苯丙素成分和抗氧化活性方面优于水母雪莲(S. medusa) 和雪兔子(S.gossypiphora);2) 三个产地的水母雪莲中, 产自日喀则的水母雪莲优于产自拉萨的,其次是那曲的;3) 人工种植天山雪莲与野生雪莲并无明显差异, 是理想的替代品。而水母红色系中含有相当高的紫丁香苷和芦丁。此外,利用UPLC-飞行时间质谱(UPLC-TOF-MS)技术从3种雪莲中还鉴定了62个苯丙素代谢产物, 其中有4种酚酸化合物、3种香豆素化合物、4种木脂素化合物和51种类黄酮化合物(包括6种黄烷酮、33种黄酮、6种黄酮醇和6种花青素)。这将有助于雪莲大规模种植和工业化生产中的质量监控, 同时也为今后雪莲此类化合物的生物合成途径以及药理研究奠定了基础。 天山雪莲品质优良, 是用药最广泛的雪莲, 但野生资源远远不能满足市场需求, 因此人工种植被寄予厚望。为人工种植提供活性成分高产的雪莲种质,开展天山雪莲的代谢基因工程研究势在必行。 针对雪莲苯丙素代谢的基因工程调控的目标, 首先开展了天山雪莲苯丙素代谢途径解析的工作, 对天山雪莲进行了转录组测序, 获得了与苯丙素代谢相关酶和转录因子基因序列相似性极高的45 条Unigenes, 并根据基因功能注释分别命名。通过高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)和荧光实时定量方法对天山雪莲不同其器官和生长阶段的苯丙素代谢产物和相关基因进行了定量分析。综合分析基因表达与代谢产物的关系, 推测:1) 天山雪莲MYB2与拟南芥AtMYB 90功能同源,能够调控其花器官中花青素合成相关基因CHS1、DFR1、ANS表达,积累花青素;2) 天山雪莲FLS、DFR3、GT2和CHS5等基因在花器官中大量表达,可能在其类黄酮合成中发挥了重要作用。而天山雪莲MYB3和bHLH表达模式与这些酶基因类似,有可能MYB3和bHLH通过对上述类黄酮合成相关酶基因的调控,控制天山雪莲花中类黄酮合成和积累;3) 天山雪莲4CL2、CCR、CAD2等基因在雪莲茎中高度表达, 它们可能都参与的雪莲木质素合成以及茎的发育;4) F3′H可能参与了花器官中生成木犀草素和矢车菊素的羟基化修饰过程;而GT1则可能参与了花中的类黄酮糖基化修饰过程,GT2可能参与了芸香糖基化过程;MAT可能涉及进一步的糖苷酰基化。 其次, 针对天山雪莲遗传转化体系的瓶颈问题, 以幼胚愈伤组织为受体材料, 采用了真空辅助侵染, 成功地获得了转基因愈伤组织,再经芽分化和诱导生根获得了转基因雪莲植株。采用该法转化天山雪莲,每克幼胚愈伤组织能获得 70-100个阳性株系,而且幼胚愈伤组织经多次继代培养仍然能保持稳定的转化效率,极大地方便了转化流程。为进一步对雪莲次生代谢的基因工程调控奠定了基础。 最后, 在以上研究基础上, 为获得苯丙素成分高产的天山雪莲种质。本研究将拟南芥PAP1、玉米Lc以及它们的双价载体导入天山雪莲,获得了相应的转基因愈伤组织和植株,其中共转化PAP1和Lc启动了天山雪莲幼苗的花青素合成和积累; 同时也不同程度提高了其他苯丙素成分含量,如绿原酸(酚酸)、紫丁香苷(木脂素)、1,5-二咖啡酰奎宁酸(酚酸)、芦丁(类黄酮)等; 基因表达分析显示, 绝大多数的苯丙素代谢相关的基因表达被上调, 尤其是与类黄酮以及花青素代谢相关的基因,如PAL、CHS、F3H、DFR3、ANS、F3′H等。由此可见,共转化PAP1(MYB)和Lc(bHLH)能够调控天山雪莲苯丙素的生物合成, 提高了苯丙素活性成分含量。此外, 抗氧化活性评价显示, 随着苯丙素含量的提高, 共转化PAP1和Lc天山雪莲的抗氧化能力也明显增强。
页数137
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ibcas.ac.cn/handle/2S10CLM1/11931
专题中科院植物分子生理学重点实验室
作者单位中国科学院植物研究所
第一作者单位中国科学院植物研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
仇键. 天山雪莲的苯丙素生物合成途径解析和基因工程调控[D]. 中国科学院植物研究所,2011.
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