基于代谢组学的土壤无机元素影响红芪质量的机理研究

Hedysari Radix are special herbs in Gansu Province. Previous studies found that the inorganic elements of Hedysari Radix are closely related to the contents of isoflavone,medicinal herbs origin,different growth years and growth types. So, inorganic elements are the characteristic factors on affecting the quality of Hedysari Radix. This project use field experiment and growth chamber pot experiment. To futher study on the mechanism of inorganic elements of soil affect the quality of Hedysari Radix based on metabolomics, ICP-MS, PCR, computer technology and other methods. This research study the variation of contents of inorganic element and metabolism changes characteristics in soil- Hedysari Radix system, quality changes, key isoflavone biosynthesis pathway key enzyme gene cloning , gene sequencing and gene expression, and study the relationship between primary metabolites and intermediate synthetic precursors of isoflavones with the inorganic elements. We will construct the quality evaluation system of Hedysari Radix in growing period based on phenotypic traits-microstructure-isoflavone metabolic markers,and establishment of characteristic inorganic elements fingerprinting and metabolites fingerprinting and key enzyme gene expression profiles. This results reveal the correlations of characteristic inorganic element fingerprinting,isoflavone fingerprinting and key enzyme gene. It will elucidate the mechanism of soil inorganic elements affecting the quality of Hedysari Radix. Our results will provide the scientific support for ensuring the quality of Hedysari Radix and developing local economy.

红芪为甘肃特色药材，前期发现其适生区域中无机元素与红芪中异黄酮含量、产地、生长年限、生长类型存在密切联系，是影响红芪质量的特征性因素。为深入探讨无机元素对红芪质量的影响规律，揭示无机元素影响红芪质量的机理，本课题采用大田试验及营养钵育苗分组试验方法，采用代谢组学、ICP-MS、PCR、计算机技术等研究方法，开展生长期土壤-红芪系统中无机元素含量变化规律及代谢产物变化特征研究、质量变化规律研究、异黄酮生物合成路径关键酶基因全长的克隆、测序及表达研究、无机元素与异黄酮合成路径初生代谢产物及中间合成前体关系研究，构建“基于表型性状-显微组织结构-异黄酮代谢标志物”的生长期红芪药材质量评价体系，建立特征性无机元素及代谢产物指纹谱和关键酶基因表达谱，揭示特征性无机元素谱、异黄酮指纹谱及关键酶基因三者关联关系，阐明土壤无机元素影响红芪质量的机理，为保证红芪质量、发展地方经济提供科学支撑。

本项目以不同生长期红芪的根、茎、叶、根际土壤等样品及7种无机元素为研究对象，结合大田试验与营养钵育苗分组试验，采用显微成像、HPLC、火焰原子吸收法、PCR、qPCR及计算机等研究技术，重点开展了不同生长期红芪及根际土壤中无机元素变化规律研究、红芪代谢产物的含量变化规律研究、红芪无机元素与代谢产物相关性研究、红芪药材质量评价体系研究、红芪异黄酮生物合成的关键酶基因片段和全长的克隆、测序研究、红芪异黄酮生物关键酶基因在不同组织表达的差异性研究、土壤无机元素对红芪质量的机理等研究。发现不同生长期红芪根中无机元素含量K>Ca>Mg>Fe>Zn>Cu>Co，茎中无机元素含量K>Fe>Ca>Mg>Zn>Cu，叶中元素含量Ca>K>Mg>Fe>Zn>Cu，其中茎和叶中Co元素含量过低，未检测出，且不同元素含量差异较大，Fe、K、Co、Cu元素可作为不同元素处理组土壤特征性元素，药材中各元素含量与土壤差异很大。不同生长期红芪药材4种异黄酮成分变化规律有一定差异，其中毛蕊异黄酮苷、芒柄花素苷、毛蕊异黄酮成分平均含量均在7月份最高，9月到10月不断累积增加趋于稳定，而芒柄花素8月份含量显著高于其他月份，到10月含量最低。中浓度K、高浓度Ca、中浓度Mg、低浓度Zn、高浓度Co可促进红芪药材对4种异黄酮成分的积累。红芪中4种异黄酮类化合物与植物无机元素存在一定相关性。控制红芪质量的指标有：药材性状、浸出物含量、药材无机元素含量及4种异黄酮类成分含量。克隆得到红芪C4H基因全长，CHS和IFS基因核心片段，且不同浓度的不同无机元素对红芪的三个关键酶基因表达有一定的促进作用。土壤无机元素影响红芪质量的可能机理：即K、Ca、Zn、Mg四种元素均可以促进生长期红芪中4种异黄酮类成分的积累，且这四种无机元素与红芪异黄酮合成关键酶基因表达呈正相关，推测四种无机元素可能通过调控异黄酮合成关键酶基因的表达，从而直接或间接的影响红芪中4种异黄酮类成分的积累。研究结果为科学指导药农施肥、红芪质量控制及发展地方经济提供科学数据支撑。