适度干旱胁迫促进甘草有效成分积累的分子机制解析

甘草是常用大宗药材，国家二级保护植物。人工栽培甘草有效成分含量低且不稳定，近年来，如何稳定和提高甘草药材质量成为研究的热点。研究结果表明，适度干旱胁迫能够促进甘草苷、甘草酸、总黄酮、总皂苷等有效成分的积累，提高其含量。因此，在分子水平上解析适度干旱胁迫促进甘草有效成分积累的分子机制，探索甘草酸等次生代谢产物在植物体内形成与积累特征显得尤为重要。.本项目以适度干旱胁迫（土壤含水量40%）和正常栽培（土壤含水量75%）的甘草根为材料，采用Solexa全基因组表达谱分析及生物信息学等技术，建立甘草在适度干旱胁迫下差异基因转录表达谱和差异基因间的相互作用网络；分析基因信号转导通路，将关键基因转化至甘草毛状根中进行功能鉴定，解析适度干旱胁迫促进甘草有效成分积累的分子机制，为基因工程改良提供理论依据和材料，而且对于在分子水平上调控甘草药材质量，促进药材规范化生产、实施节水抗旱栽培等方面具有重要意义。

甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）为豆科多年生草本植物，其根和根茎是我国大宗药材和食品、日用化学品添加剂。对甘草日益增长的需求已导致甘草野生资源蕴藏量锐减，人工栽培甘草成为解决甘草资源危机的根本途径。甘草为阳生旱生植物，适度干旱胁迫不影响甘草生长，且能促进有效成分的积累。本项目以栽培6个月的甘草根为材料，设置适度干旱胁迫组（土壤相对含水量40%~45%）和对照组（土壤相对含水量70%~75%），应用Illumina HiSeq 2000进行转录组双末端测序，在转录组水平上揭示适度干旱胁迫对甘草生长发育和次级代谢的调控机制。差异表达基因分析表明，适度干旱胁迫抑制细胞壁中β-木糖苷酶、天冬酰胺酰内肽酶、GDP-L-岩藻糖合酶等酶的基因表达，可能抑制根细胞的初生壁降解与程序性细胞死亡；促进萜类、黄酮类化合物生物合成的关键酶基因的表达，进而促进甘草有效成分的积累；促进生长素、乙烯、细胞分裂素的生物合成和信号转导，进而促进根的发生和细胞增殖；促进脱落酸、茉莉酸的生物合成和信号转导，进而提高甘草对干旱胁迫的适应能力；抑制赤霉素、油菜素内酯等激素的生物合成和信号转导，进而抑制地上茎的伸长。. 进一步对甘草次级代谢相关的关键酶丙二烯氧化物合酶（GuAOS）、紫杉烯5α-羟化酶（GuT5H）和异黄酮 2’-羟化酶（GuI2’H）的cDNA进行了生物信息学分析。三者均属于细胞色素P450家族成员。. 茉莉酸甲酯促进甘草根中甘草酸的积累，但对甘草苷的积累无影响甚至有抑制作用，表明甘草酸参与茉莉酸介导的甘草干旱逆境适应，而甘草苷可能不参与。较低浓度茉莉酸甲酯处理初期可诱导关键酶基因的表达，处理后期或高浓度茉莉酸甲酯处理则大多具有抑制作用。. 本项目基于转录组结构解析，揭示了适度干旱胁迫调控甘草次级代谢的分子机制，为通过改善栽培方式和生物技术育种等途径提高甘草品质奠定基础。