人参bHLH转录因子调控人参皂苷合成的分子机制研究

Molecular breeding for high-quality ginseng is a hotspot with high degree of attention currently. Our team has sequenced the genome of the ginseng plant for the first time, which represents a valuable resource for understanding and improving the breeding, cultivation, and synthesis biology of this key herb. Although, their biosynthetic enzymes has been identified based on whole genome analysis of Panax ginseng, the transcriptional regulation of triterpene ginsenosides biosynthesis remains largely to be elucidated. Therefore, in this project, the genome-wide analysis of bHLHs in ginseng (PgbHLHs) will be processed. Based on gene-specific expression patterns and correlation test with ginsenoside contents, PgbHLHs potentially involved in the regulation of ginsenoside biosynthesis will be identified. Then PgbHLHs gene-specific overexpression or knockdown transgenic analysis will be conducted to unravel their target enzymes in triterpene ginsenosides biosynthesis pathway. In addition, the further investigations into interaction between PgbHLHs and promoters of target genes will be confirmed by EMSA analysis. We hope this research would provide a theoretical reference and basis for regulation of ginsenosides biosynthesis and guide the artificial cultivation of ginseng.

如何通过分子育种筛选高产优质的人参品系是当前各国人参产业共同面对的关键问题。本团队首次完成人参基因组的测绘，填补人参遗传背景研究空白；并对人参皂苷合成途径及关键酶进行了全基因组解析，相关文章已经发表，并被美国基因组网站以“首次完成人参基因组”为题进行报道。本研究基于人参基因组前期工作，以转录表达模式相关性筛选人参中三萜皂苷合成相关bHLH转录因子编码基因（PgbHLHs），并对候选PgbHLHs进行克隆、过表达和RNA干扰，检测三萜皂苷合成关键酶基因转录水平变化，结合化学检测结果，验证PgbHLH调控三萜皂苷生物合成的分子靶点，揭示人参中三萜皂苷生物合成调控的分子机制，对筛选人参高产分子标记、非转基因优良品系选育及人工栽培都具有重要的研究价值和科学意义。

人参是我国传统名贵中药材，在诸多方剂中列为君药，享有“百草之王”的美誉。目前，人参野生资源日渐匮乏，人工栽培已成为满足市场需求的主要手段,如何通过分子育种筛选高产优质的人参品系是当前各国人参产业共同面对的热点问题，也是提高中国人参竞争力的关键点。.本项目基于人参基因组分析，鉴别人参中bHLH转录因子169个，根据序相似性分为24个亚家族。针对19个转录本数据对其表达模式分析，发现人参bHLH转录因子具有明显的功能分化和器官特异性。联合人参皂苷合成关键酶表达差异及主要人参皂苷化学检测结果，发现6个bHLH转录因子（PgbHLH1-6）与人参皂苷合成呈现显著正相关。这6个PgbHLHs分别来自4个亚家族，Ⅲ(d+e)，IVa，Ⅲc 以及Ⅲf家族，并具有MYC-C结构，可能参与茉莉酸响应机制；PgbHLH1-6分别与不同关键酶表达模式呈现不同相关性，提示其在参与调控人参皂苷合成的过程中具有不同调控靶点。目前已并成功克隆5个bHLH转录因子（PgbHLH1-5）编码基因，用于后续功能验证及种质检测。本项目初步解析人参中三萜皂苷生物合成的转录调控机制，以期为筛选人参高产的分子标记及优良品系选育等提供技术支持和理论帮助。