三種產(chǎn)萜類藥用植物轉(zhuǎn)錄組分析和產(chǎn)地適宜性研究.pdf

1、功能基因組學(xué)（functional genomics）是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，應(yīng)用高通量、大規(guī)模分析方法，在基因組或系統(tǒng)水平全面研究基因的表達(dá)、調(diào)控與功能，并探索基因間、基因與蛋白質(zhì)之間、基因及其產(chǎn)物與生長(zhǎng)發(fā)育相互聯(lián)系和規(guī)律的科學(xué)。功能基因組學(xué)將生物學(xué)研究從單個(gè)基因或蛋白質(zhì)上升至基因組，同時(shí)對(duì)多個(gè)基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。闡明藥用植物生物活性成分的次生代謝途徑及其調(diào)控是藥用植物功能基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一。人參、西洋參和紅豆杉是三種

2、有重大藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用植物，主要生物活性成分均為萜類化合物。本課題采用目前最新的技術(shù)，結(jié)合西洋參、人參、東北紅豆杉的研究現(xiàn)狀，從微觀和宏觀的不同角度，采用功能基因組學(xué)研究方法和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，分別從轉(zhuǎn)錄組分析、藥用天然產(chǎn)物生物合成途徑、關(guān)鍵酶基因克隆與鑒定、產(chǎn)地適宜性等方面，有針對(duì)性地進(jìn)行了研究。
　　 西洋參（Panax quinquefolius L.）為五加科（Araliaceae）人參屬（Panax）的名貴藥材，以

3、根入藥，具有促進(jìn)記憶、抗癌、降血壓、降血脂、抗疲勞、抗糖尿病、強(qiáng)心、鎮(zhèn)靜等多種藥理作用。但由于生長(zhǎng)緩慢，連作障礙嚴(yán)重，西洋參藥用資源的發(fā)展受到極大的限制。本研究以四年生西洋參根、葉、花為材料，構(gòu)建了cDNA文庫(kù)，通過(guò)5’端測(cè)序，獲得了根、葉、花的表達(dá)序列標(biāo)簽（expressed sequence tag，EST），共有6，678條ESTs，序列拼接產(chǎn)生了3，349條unigenes，包括534條contigs和2，815條singlet

4、ons。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，探討了組織特異性基因表達(dá)模式。采用Gene Ontology（GO）功能分類，將基因產(chǎn)物劃分到生物學(xué)過(guò)程，細(xì)胞成分和分子功能三大本體。BLAST比對(duì)發(fā)現(xiàn)了24條參與人參皂苷生物合成的關(guān)鍵酶，對(duì)甲羥戊酸途徑中的限速酶3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶（HMGR）進(jìn)行了克隆與鑒定。采用同源克隆的方式，克隆了達(dá)瑪烷合成酶（DS）基因?？寺×巳藚⒃碥丈锖铣傻淖詈笠徊教腔D(zhuǎn)移酶（GT）基因。發(fā)現(xiàn)了63條轉(zhuǎn)錄因子序列，編

5、碼包括zinc finger，WRKY，homeobox和MADS-box家族蛋白。并且發(fā)現(xiàn)了588條SSR微衛(wèi)星標(biāo)記，探討了其組成與特點(diǎn)。這些結(jié)果，提供了西洋參轉(zhuǎn)錄譜、功能基因、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、花發(fā)育和分子標(biāo)記方面的重要信息，對(duì)于促進(jìn)西洋參及其人參屬藥用植物的發(fā)展具有重要意義。
　　 紅豆杉是重要的木本藥用植物，是紫杉醇提取和半化學(xué)合成的重要來(lái)源之一。盡管商業(yè)和醫(yī)藥價(jià)值巨大，關(guān)于紅豆杉屬的基因組或轉(zhuǎn)錄組研究卻很少。目前，紫杉醇生物合

6、成途徑還未完全闡明，紫杉醇和紫杉烷類生物合成的調(diào)控還不清楚。本研究應(yīng)用新一代高通量測(cè)序技術(shù)454 GS FLX Titanium對(duì)東北紅豆杉（Taxus cuspidata）針葉轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序，共獲得表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）81，148條。序列拼接得到20，557條unique sequences，包括12，957條singletons和7，582條contigs。數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列同源性比較表明，68.6％（14，095）與其它生物的已知基

7、因具有同源性。研究發(fā)現(xiàn)總的序列同源性在裸子植物中高于被子植物。GO分類將11，220條序列注釋到45個(gè)類目上。通過(guò)生物化學(xué)途徑注釋，2，403條序列注釋到3，821條KEGG途徑中。生物信息學(xué)分析，獲得了質(zhì)體赤蘚糖磷酸酯途徑（methylerythritol phosphate pathway）的所有酶以及參與紫杉醇生物合成的部分酶的基因。發(fā)現(xiàn)了可能參與紫杉醇合成未闡明步驟酶的基因，包括85條CYP450，7條epoxidase，18條

8、CoA ligases和3條N-benzoyltransferase。從數(shù)據(jù)中還獲得了291個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和753個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記（SSR）。這些基因的發(fā)現(xiàn)為紫杉醇和紫杉烷類化合物生物合成研究和代謝調(diào)控提供了有利條件，也為紅豆杉屬植物種質(zhì)改良奠定了基礎(chǔ)。
　　 石柱參是中國(guó)特有人參珍稀品種，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了對(duì)人參種植區(qū)劃篩選提供科學(xué)依據(jù)，利用中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)（TCMGIS），以遼寧省寬甸縣石柱參現(xiàn)代分布區(qū)最適宜生

9、長(zhǎng)環(huán)境因子為依據(jù)，區(qū)劃石柱參在全國(guó)的適宜產(chǎn)地。結(jié)果顯示適宜種植區(qū)（相似度為95％-100％）所在縣區(qū)有15個(gè)，總面積為15，943.93平方公里，遼寧省占96.44％，吉林省占3.56％；較適宜種植區(qū)（相似度為90-95％）所在縣區(qū)有22個(gè)，總面積20，070.83平方公里，遼寧省占73.88％，吉林省和秦嶺中東部地區(qū)也有一定份額。研究結(jié)果覆蓋了石柱參現(xiàn)代分布區(qū)，從一定程度上驗(yàn)證了TCMGIS系統(tǒng)用于石柱參適生地分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，預(yù)