草麻黄根与茎主要活性代谢产物分化形成过程中的基因表达差异
草麻黄（Ephedra sinica Stapf）作为一种传统中药已有五千多年的药用历史。该植物由于根茎药效相反被人们所熟知，即地上茎具有发汗散寒、升高血压的作用，而地下根具有固表止汗，降低血压的作用。此“同源异效”现象与草麻黄根茎入药部位的活性成分差异有着密切的关系。目前，草麻黄根茎中具体活性差异成分及其生物合成的分子基础还不清楚，这严重制约了草麻黄资源的开发利用。因此本研究采用非靶向代谢组和转录组技术，系统地探究草麻黄根、茎整体差异代谢物和参与差异代谢物生物合成中的关键酶基因，进而分析草麻黄根和茎中活性代谢产物分化形成的分子机制。目前取得的研究结果如下： 1.为了阐释草麻黄根茎整体代谢差异，本研究采用UPLC-QTOF-MS平台对五月和九月草麻黄根、茎进行了代谢组检测。采用多元统计分析筛选并鉴定到45种差异代谢物，其中包括10种生物碱类代谢物：Ephedrine、Pseudoephedrine、Nor(pseudo)ephedrine、Methylephedrine、Methylpseudoephedrine、Ephedradine A、Ephedradine B/D、Tetramethylpyrazine、Feruloylhistamine、Methcathinone；25种黄酮类代谢物：(+)-Catechin、(-)-Epicatechin、(Epi)afzelechin、Ephedrannin A、Mahuannin A/B/C/D等；6种有机酸：Quinaldic acid、Ferulic acid、Benzoic acid、α-Linolenic acid、Trans-cinnamic acid、Salicylic acid；1种香豆素：6-Methylcoumarin；3种单萜类代谢物：(L)-alpha-Terpineol、alpha-Terpinyl acetate、D-linalool3-glucoside。对这些差异代谢物进行通路富集分析发现，其主要分布于苯丙氨酸代谢、类黄酮生物合成、黄酮和黄酮醇生物合成、苯丙烷生物合成等通路中。 2.本研究采用Illumina Hiseq?测序平台对五月和九月草麻黄根和茎进行无参转录组测序，对测序结果进行差异基因筛选、功能注释和富集分析，一共获得112条与草麻黄根茎活性成分合成相关的差异基因。其中参与草麻黄中生物碱类、黄酮类、单萜类物质合成的差异基因分别为16、54、26条；参与香豆素类和有机酸等物质合成的差异基因有24条。在这些差异基因中注释到根、茎活性成分分化形成过程中的关键酶基因，包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酸-辅酶A连接酶（4CL）、查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、花青素还原酶（ANR）、羟甲基戊二酰CoA还原酶（HMGR）等。这些关键酶基因在根和茎中的表达水平及调节作用均不相同。 3.通过代谢组数据和转录组数据联合分析，重新构建了草麻黄根和茎活性成分合成的代谢通路，得到生物碱、黄酮类、单萜类和有机酸等主要物质生物合成的调控网络，并且发现活性成分相对含量和关键酶基因表达量的变化趋势一致。 本研究阐明了草麻黄根茎药用功能相反的化合物代谢及分子调控差异，为完善草麻黄根与茎中主要活性代谢产物分化合成过程的分子机制奠定基础，为中药麻黄临床安全合理应用提供了理论依据。
草麻黄;活性代谢产物;生物合成
山西大学
硕士
微生物学
崔晋龙
2021
中文
S567.230.1
2021-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）