多组学分析越南人参皂苷类成分的代谢差异及生物合成

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我国植物资源丰富,已确认的药用植物有11,146种,众多药用植物资源的有效保护及合理利用一直是植物学家、进化生物学家和遗传学家高度关注和研究的热点。由于药用植物个体的差异性以及驯化过程的复杂性,加之某些重要物种的研究还处于空白阶段,目前药用植物自然资源的发掘利用仍然存在较大局限。越南人参(Panax vietnamensis Ha&Grushv.)是五加科(Araliaceae)人参属植物,主要分布于越南省和云南省金平县。近年来,售价颇高的金平“黑三七”因较高的人参总皂苷含量以及强大的抗癌功效在人参属消费市场占据了很高的份额,过度开发原生栖息地物种对其生存构成了严重威胁。由于缺乏整体基因组遗传变异信息,其自然资源的发掘利用仍然存在很大的盲目性和随机性。从功能基因组水平研究我国重要药用植物整体遗传变异水平,有助于全面理解其与近缘属种相互进化遗传关系,是当前进行药用植物资源有效保护与筛选“优良种质资源”及“优异等位基因”的关键,也是现代药用植物资源评价与育种的重要方向。本文拟通过越南人参2~5年主根、须根、茎和叶四个不同部位的广靶代谢分析,基于超高效液相色谱四极杆飞行时间串联质谱对人参皂苷进行定性、相对定量及比较研究,运用多元统计分析筛选出不同生长年限以及组织部位间的差异代谢物,整合皂苷检测数据,构建出一个可视化越南人参组织部位和生长年限代谢物差异代谢网络,为揭示人参皂苷合成通路提供新的研究思路。此外,为进一步发掘越南人参功能基因和皂苷合成关键基因,阐明药效物质,利用高通量测序技术全面构建越南人参的转录组数据库并筛选高表达基因进而进行代谢通路分析提供理论基础。运用系统生物学揭示越南人参不同组织部位和生长年限的代谢调控网络,对了解人参皂苷合成的代谢网络调控和分子机制具有重要意义。对越南人参代谢表达谱的相关分析表明,根和须根的基因表达模式相似,但与茎和叶的基因表达模式有显著差异。因此,我们推测叶片中许多基因的表达水平是下调的。通过对人参皂苷生物合成相关基因的进一步鉴定,确定了参与甲羟戊酸(Mevalonate pathway,MVA)、2-C-甲基-D-赤藓糖醇4-质体中的磷酸盐(Methylerythritol phosphate,MEP)途径和三萜皂苷生物合成途径的候选基因。从单基因数据集中鉴定出15个FPS,16个SE和9个β-As,都在根中高度表达。85个UGTs编码的转录本可能在人参皂苷生物合成的最后一步催化糖基化。参与MVA途径的上游单基因(AACT、HMGs、NADPH、MVK、MVD)在5年生根中表现出较高的活性,而MEP途径中编码酶的基因(DXS、DXR、Isp H、Isp G)在2年生叶片中高表达。大部分下游基因(FPS、SE、β-As)在2年生根中高表达,UGTs酶基因在2年生叶片中高表达。结果表明,越南人参关键酶基因的表达具有明显的组织特异性。人参皂苷在根和叶组织中的生物合成是由几个关键酶协调的。关键酶的表达调控着人参皂苷的代谢流,最终指导多种单体皂苷的合成。表达谱的差异可能是人参皂苷在不同部位分布不均的原因。
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