聚酮类化合物合成过程中的丰度相关性分析算法研究

Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc., a traditional medicinal plant in China, has multiple biological functions such as anti-inflammation, anti-virus, anti-cancer and cardiovascular protection, its pharmacological effects are found mainly due to its containing of various structurally diverse polyketides. Up to now, the types and numbers of polyketides in P. cuspidatum have not been studied systematically. The goal of this project is to reveal the main factors influencing the biosynthesis of target compounds by the analysis of the metabonome dataset of P. cuspidatum, collected with different tissues, in different growth period, and treated by transgene and physical-chemical factors, and to establish the abundance correlation relationships among the compounds in the polyketides biosynthesis. The main issues include: 1) establishing the polyketide metabonome dataset of P. cuspidatum of different tissues in different growth period; 2) establishing the polyketide metabonome dataset of different transgenic P. cuspidatum plants; 3) establishing the polyketide metabonome dataset of P. cuspidatum under different physical-chemical treatments; 4) analyzing the abundance correlation relationships between the target compounds and non-target compounds; 5) modeling and predicting the optimal combination of treatments on targets abundance. The outcome of the current proposal could not only provide theoretical guidance for the regulation of polyketide biosynthesis and for its metabolic engineering, but it could also extend and enrich the machine learning applications in metabonomics.

虎杖为我国传统中药，具有消炎、抗病毒、抗肿瘤和心血管保护等多种功效，其药理作用主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮类化合物及其衍生物，但目前对于虎杖中聚酮类化合物的种类、数量还缺乏系统的研究。本项目旨从虎杖不同组织、不同生长时期、不同转基因和不同理化因子处理的虎杖聚酮类代谢组数据中，自动分析和挖掘影响靶向化合物合成的主要因素，并建立相关的计算分析模型。主要研究内容包括：1）建立虎杖不同组织、不同生长时期的聚酮类代谢组数据库；2）建立不同转基因处理的虎杖聚酮类代谢组数据库；3）建立不同理化因子处理的虎杖聚酮类代谢组数据库；4）研究靶向化合物与非靶向化合物丰度之间的相关性分析算法；5）解析并建模影响靶向化合物丰度的优化组合干扰方式。本项目的研究不仅可以为虎杖聚酮类化合物生物合成的调控及代谢工程提供理论基础，而且可望推动机器学习在代谢组学领域的应用。

虎杖为我国传统中药，具有抗炎、抗病毒、抗肿瘤和心血管保护等多种功效，其药理作用主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮类化合物及其衍生物，但目前对于虎杖中聚酮类化合物的种类、数量、组织分布特性及其合成的调控机制还缺乏系统的研究。本项目从虎杖不同组织、UV-B胁迫及茉莉酸甲酯处理的聚酮类代谢组数据中，自动分析和挖掘影响靶向化合物合成的主要因素，并建立相关的计算分析模型。主要研究内容包括：1）建立并优化虎杖聚酮类化合物的提取及检测方法；2）建立虎杖不同组织的聚酮类代谢组数据库；3）建立UV-B处理的虎杖聚酮类代谢组数据库；4）建立茉莉酸甲酯处理的虎杖聚酮类代谢组数据库；5）虎杖聚酮类化合物合成的调控机制解析并建模影响靶向化合物丰度的优化组合干扰方式。项目所取得的主要结果：1）通过响应面法分析，建立二次模型得到聚酮类化合物的最佳提取条件为：甲醇浓度77.4%，提取时间37.5 min， 提取温度21.7℃，液料比21.2:1；2）系统分析了虎杖的根、根茎、茎、叶、花和种子六种不同组织的代谢物谱，共鉴定53种化合物，其中8种为虎杖中首次鉴定，同时分析了这些化合物在不同组织中的相对含量，鉴定了能够区分虎杖不同组织的差异化合物；3）通过广泛靶向代谢组学分析了虎杖响应UV-B胁迫时代谢物谱的变化，鉴定出UV-B胁迫与对照间的80种差异代谢物，UV-B胁迫后白藜芦醇、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸及多种黄酮类化合物的含量均比对照明显增加；4）研究了虎杖响应茉莉酸甲酯处理的代谢物谱变化，鉴定出茉莉酸甲酯处理与对照间的113种差异代谢物，包括香豆素类、黄烷酮及其糖苷、花青素类等。本项目解析了虎杖聚酮类化合物的组织分布特性，揭示了调控虎杖聚酮类化合物合成的关键因素，为虎杖聚酮类化合物的合成的调控及代谢工程奠定了基础。