甘草碳氮代谢耦合关系与其活性成分积累的相关机制研究

To improve the quality of the cultivated herbal is new hot in the fields of traditional Chinese medicine. Our previous study indicated the optimal concentration of nitrogen in Glycyrrhiza uralensis was low, and the active ingredient was negatively correlated with the increase of nitrogen concentration. To date, it is still a challenge to analyze the impact of exogenous nitrogen accumulation of the active ingredient in Glycyrrhiza uralensis considering the absorptive and storage capacities of root, as well as the nitrogen-fixation of the root nodule. In addition, our previous study indicates that GABA plays a crucial role in the regulation of TCA. In this project, we aim to investigate the effects of exogenous nitrogen on photosynthesis, carbon metabolism, TCA and secondary metabolites through respiration using stable isotope tracer technique, based on which to illustrate the coupling relationship between carbon and nitrogen metabolism, as well as the accumulation of active ingredients. In addition, the roles of GABA in TCA were investigated through physiological and biochemical aspects in order to identify the potential active sites in the Glycyrrhiza uralensis root respiration metabolism and secondary metabolism of effective components. Our study contributes to the improvement of quality of cultivated Glycyrrhiza uralensis.

如何解决人工栽培中药材有效成分含量低的问题是中药资源领域关注的热点。申请者先前发现甘草对氮素最适浓度的要求较低，且随着施氮浓度的增加其活性成分反而有所降低。因甘草根系具有吸收、贮藏功能，兼具根瘤固氮的特点，分析外源氮素对甘草活性成分积累的影响较为复杂。我们根据之前对γ-氨基丁酸在植物体中作用的初步研究结果，推测其可能是连接碳、氮代谢的重要物质。本项目拟从与甘草根系呼吸有关的代谢组入手，运用同位素示踪技术，研究外源氮素对光合同化和根瘤固氮作用及碳氮代谢、次生代谢等物质的影响，重点考察信号物质γ-氨基丁酸对三羧酸呼吸循环代谢的影响，阐明甘草碳氮代谢耦合关系与其活性成分积累的相关机制，掌握γ-氨基丁酸的生理生化作用，揭示氮营养对甘草呼吸代谢和次生代谢有效成分积累影响的关键部位。研究结果对于提高人工栽培甘草质量具有重要的理论价值和实践意义，对于其他药用植物开展类似研究也具有重要的借鉴意义。

本项目以野生、田间栽培、盆栽和水培等条件下的甘草为研究对象，从与甘草根系呼吸相关的代谢组入手，运用同位素示踪技术，研究分析了外源氮素对甘草光合碳同化、根瘤固氮、碳氮代谢及活性成分积累的影响，重点考察了γ-氨基丁酸在甘草呼吸代谢中的生理作用，对γ-氨基丁酸可能是调节甘草呼吸代谢的关键物质的假说进行了验证，揭示了氮营养对甘草呼吸代谢及次生代谢有效成分积累影响的关键部位。主要研究结果：外源氮素对甘草光合固定碳在TCA有机酸中的分配影响较小；根瘤固氮是甘草重要的氮营养来源之一，根瘤固氮作用能够提高甘草根中酰胺类物质和γ-氨基丁酸的含量，过高的外源氮素则会抑制甘草的结瘤数量与根瘤中γ-氨基丁酸的含量；外源氮素进入甘草根系主要合成转化为天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺，同时三羧酸循环中的ɑ-酮戊二酸、柠檬酸、苹果酸和琥珀酸大量消耗，使甘草根系呼吸速率增强，导致呼吸底物含量降低，进而对碳氮代谢产生影响。γ-氨基丁酸含量与外源氮素浓度之间相关性显著，γ-氨基丁酸对甘草氮代谢影响表现出低浓度促进，高浓度抑制的现象；γ-氨基丁酸能提升甘草呼吸代谢中三种途径的呼吸强度，其中对TCA途径的影响最为明显；γ-氨基丁酸对甘草呼吸作用的影响通过影响呼吸电子链的AOX途径，改变超氧阴离子含量来实现；外源氮素进入甘草根系后通过氮代谢转化成γ-氨基丁酸，进而通过γ-氨基丁酸的代谢调节氮代谢中相关的氨基酸和TCA中相关的有机酸含量。