基于模式识别的新疆紫草细胞培养物代谢组学研究

新疆紫草为传统药用植物，其主要有效成份为萘醌类化合物紫草素及其衍生物，具有重要的药用价值，但野生资源非常有限，近年来已呈匮乏之势。本实验室已建立的新疆紫草细胞培养体系成功解决了新疆紫草的资源问题。本项目旨在利用先进的模式识别和机器学习技术，研究新疆紫草细胞培养物紫草素及其衍生物的合成与其它相关代谢物合成的定性和定量关系，阐明主要的影响因素，并建立相关的计算分析模型，为新疆紫草细胞培养物紫草素及其衍生物合成的调控及代谢工程提供理论基础。主要研究内容包括：1）建立新疆紫草细胞培养物不同细胞系在不同培养时期、不同环境条件下的萘醌类代谢组数据库；2）利用现代模式识别理论、图像分析和机器学习技术分析其萘醌类代谢组的差异，并结合其它资料，解析差异的原因，建立数学模型，预测哪些环境条件有利于新疆紫草培养细胞萘醌类化合物的合成，为新疆紫草培养细胞萘醌类化合物合成的调控提供理论指导。

新疆紫草为我国传统药用植物，其主要有效成份为萘醌类化合物紫草素及其衍生物，具有重要的药用价值。由于紫草素及其衍生物主要在新疆紫草的根部合成，长期的采挖近年来使得野生资源呈匮乏之势。为了保护新疆紫草野生资源，本实验室已成功建立了新疆紫草的愈伤组织培养体系，并且获得了能够大量合成紫草素及其衍生物的红色系和几乎不含紫草素及其衍生物的白色系，为紫草素及其衍生物合成的调控提供了很好的研究体系。本项目以上述新疆紫草愈伤组织的红色系和白色系为实验系统，旨在探索新疆紫草愈伤组织中紫草素及其衍生物的合成与其它相关代谢物合成的定性和定量关系，可能的主要影响因素以及相关的分析模型。主要研究内容包括两方面：1）建立新疆紫草愈伤组织的红色系和白色系在不同培养时期、不同处理条件下的萘醌类代谢物谱数据库；2）利用模式识别和机器学习技术手段分析不同细胞系中萘醌类代谢物谱的差异，并解析差异的原因。项目执行过程中所获得的主要结果有：1）通过比较不同的提取方法和不同的检测方法，建立了四溶剂提取法作为新疆紫草愈伤组织中萘醌类代谢物的提取方法，建立了同时测定新疆紫草愈伤组织中多种萘醌类化合物的HPLC检测方法；2）发现茉莉酸甲酯、一氧化氮处理能够显著提高新疆紫草愈伤组织红色系中紫草素及其衍生物的合成，而NH4+主要通过影响新疆紫草愈伤组织细胞的生长而调控紫草素及其衍生物的合成；3）发现茉莉酸甲酯、一氧化氮和NH4+处理主要通过促进紫草素衍生物合成及转运相关基因的表达而促进紫草素及其衍生物的合成；4）多维数据分析结果表明，不同的诱导处理对新疆紫草愈伤组织中不同细胞系的萘醌类代谢物谱产生了显著的影响。本项目解析了新疆紫草愈伤组织不同细胞系萘醌类代谢产物谱差异的原因，揭示了新疆紫草愈伤组织紫草素及其衍生物合成的主要影响因素，为新疆紫草愈伤组织紫草素及其衍生物合成的调控及代谢工程奠定了基础。