温度和光照胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物积累的影响及调控机制研究

Environmental stresses affect the formation and accumulation of plant secondary metabolites. In addition, temperature and light are the ones of the main environmental factors above all. Our previous research has showed that, temperature and light are the dominant climate factors affecting on the quality of Rhizoma Panacis Majoris, but how the temperature and light stress impact on the accumulation of Rhizoma Panacis Majoris saponins has not been reported. In view of this, we intend to test the temperature and light regulation on the growth, physiological and biochemical characteristics, saponins secondary metabolites accumulation, saponins key biosynthetic metabolism enzyme activity, as well as saponins secondary metabolite synthesis key enzyme gene expression of Rhizoma Panacis Majoris, using the modern techniques of plant physiological ecology, analytical chemistry, systems biology, isozyme, and q-PCR, to clarify the impact of environmental stress on the accumulation of Rhizoma Panacis Majoris saponin secondary metabolites and the regulatory mechanisms in different levels. Our work can lay a good foundation for the cultivation base selection, the improvement of artificial cultivation techniques and efficient ways to extract the active ingredients of the Rhizoma Panacis Majoris. Moreover, this research could also provide new ideas and methods for the efficient production of high quality herbs and medicinal plants to get active secondary metabolites.

环境胁迫影响植物次生代谢产物的形成与积累，其中温度和光照是重要的影响因素。前期我们对珠子参质量与环境因子的关系研究表明，温度和光照是影响珠子参质量的主导环境因子，而目前关于温度和光照胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物形成与积累的影响及调控机制研究尚未见报道。鉴于此，本课题拟采用温度和光照调控试验，利用现代植物生理生态学、分析化学、系统生物学方法结合同工酶技术、实时荧光定量PCR技术，研究不同温度和光照胁迫对珠子参生长发育、同工酶谱、皂苷类次生代谢产物积累、皂苷类生物合成代谢过程中关键酶的活性、以及皂苷类次生代谢产物合成过程中关键酶基因表达的影响，多层次的阐明环境胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物积累的影响及调控机制。本研究为今后栽培基地的选择、栽培技术的完善和人工调控技术，以及高效获取珠子参活性成分奠定良好的工作基础。同时，也为高效生产优质药材和获取药用植物活性次生代谢产物提供新的研究思路和方法。

环境胁迫影响植物次生代谢产物的形成与积累，其中温度和光照是重要的影响因素。前期我们对珠子参质量与环境因子的关系研究表明，温度和光照是影响珠子参质量的主导环境因子，而温度和光照胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物形成与积累的影响及调控机制尚不明确。本课题采用温度和光照调控试验，利用现代植物生理生态学、分析化学、系统生物学方法结合同工酶技术、实时荧光定量PCR技术，研究不同温度和光照胁迫对珠子参生长发育、同工酶谱、皂苷类次生代谢产物积累、皂苷类生物合成代谢过程中关键酶的活性、以及皂苷类次生代谢产物合成过程中关键酶基因表达的影响，多层次的阐明环境胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物积累影响及调控机制。研究结果显示：与对照组相比，长光照组、强光组、高温组、高温强光交叉胁迫处理珠子参幼苗株高生长动态变化明显；短光照组、弱光组、低温组、低温弱光交叉胁迫处理主茎最粗，生长最为健壮，珠子参的鲜、干重值最大，珠子参皂苷类次生代谢产物（竹节参皂苷Ⅳa、人参皂苷Ro）含量值最高，POD同工酶、酯酶同工酶谱条带数明显增多且条带增粗，珠子参皂苷生物合成途径中关键酶HGMR酶活性增加，关键酶基因HGMR基因、β-AS基因、DS基因相对表达量增加，说明逆境条件更有利于珠子参皂苷类次生代谢产物的积累，在外界逆境胁迫下，植物组织能诱导产生一系列的“保护酶”，以抵制和修复逆境造成的伤害，珠子参皂苷生物合成途径中关键酶HGMR酶、及关键基因HGMR基因、β-AS基因、DS基因调控珠子参皂苷积累。相关性分析表明，竹节参皂苷Ⅳa含量、人参皂苷Ro与HGMR酶活性、DXR酶活性、HGMR基因表达、β-AS基因、DS基因表达呈显著性正相关，多变量逐步回归分析表明，不同胁迫处理对珠子参皂苷类含量影响较大的调控因子各不相同。本研究阐明了温度和光照胁迫对珠子参皂苷类次生代谢产物积累影响及调控机制，为珠子参栽培基地的选择、栽培技术的完善和人工调控技术，以及高效获取珠子参活性成分奠定良好的工作基础。