中国芸香亚科植物中吲哚喹唑啉生物碱及其与植物系统分类相关性研究

Indole quinazoline alkaloids are mainly isolated from the subfamily Rutoideae Engler of Rutaceae. They are a group of rare natural products with unique biosynthetic pathway. However, there are many disputes in the Chinese Rutoideae in terms of its classification. This project here aims to study on the secondary metabolites of Chinese Rutoideae and then separate and characterize systematically the components of leaves and fruits in the representative species of the section, subgenus and genus. The characteristic components, indole quinazoline alkaloids, will be taken as biochemical markers of systematic evolution and classification of this subfamily. We will also establish a rapidly and efficiently analysis method of the metabolic phenotype of Rutoideae through various technologies, including HPLC, LC-MS, GC-MS and 1H NMR, etc. After that, the distribution of the indole quinazoline alkaloids in the Rutoideae will be analyzed by cluster analysis and principal component analysis. Meanwhile, we will analyze the correlation among metabolic phenotype, genetic and systematic evolution of Rutoideae by cloning and sequencing metabolism key enzyme IAS encoding gene of this kind of alkaloid. This project will sufficiently supply the chemistry and molecular evidences for the classification of Rutoideae, give the scientific basis for the development and utilization of this plant resources, and provide a new strategy for solving the problem of the classification of the difficult population in Chinese Rutoideae.

吲哚喹唑啉生物碱主要存在于芸香亚科植物中，是一类具有特殊生源合成途径、结构罕见的化合物。针对目前芸香亚科疑难种群系统分类存在较大分歧、化学成分研究又不够系统的现状，本项目以中国芸香亚科次生代谢产物的研究为主线，对其各属、亚属、组代表性植物叶、果实的化学成分进行系统研究；将特征性成分吲哚喹唑啉生物碱作为该亚科植物系统演化和分类的生化标记物，通过HPLC、LC-MS、GC-MS和1H NMR等检测技术，高效快速地建立芸香亚科植物代谢表型及其定性定量的分析方法；借助计算机聚类分析和主成分分析软件处理实验数据，探讨芸香亚科中吲哚喹唑啉生物碱的分布规律和植物类群间的演化规律；同时对该类生物碱代谢关键酶IAS基因进行克隆、测序，阐明芸香亚科植物代谢表型、遗传基因与系统分类的相关性。本项目的实施，为该亚科系统分类提供化学和分子证据，为植物资源开发利用提供科学依据，为解决该亚科疑难种群分类问题提供新策略。

吲哚喹唑啉生物碱主要存在于芸香亚科植物中，是一类具有特殊生源合成途径、结构罕见的特征性成分，可作为该亚科植物系统演化和分类的生化标记物。针对目前该亚科疑难种群系统分类存在较大分歧、化学成分研究又不够系统的现状，本项目建立了该亚科植物代谢表型1H NMR、 GC-MS、UPLC-Q/TOF-MSn的检测与鉴定方法，对收集到的69种芸香亚科植物（我国60种、分布于澳洲、北欧的该亚科代表性植物9种）的叶和果实共计621份样品进行了化学成分分析，对每种植物代谢谱中的主要特征性成分进行了系统标定，建立了每种植物指纹图谱与植物特征性化合物的对应信息关系；并从该亚科9属代表性植物中分离鉴定了203个化合物（吲哚喹唑啉生物碱49个），为该亚科植物化学分类奠定了生物化学基础。利用计算机多元统计分析软件对芸香亚科植物化学成分进行了主成分分析和聚类分析，揭示了该亚科植物中吲哚喹唑啉生物碱的分布、演化规律和系统学意义。提取该亚科9属45种植物的基因组DNA，并对叶绿体、线粒体及细胞核中已报道的4条基因条形码进行了克隆和序列测定，共获得条形码序列169条；对其中的37种植物（芸香亚科植物33种，外源种4种）进行了转录组数据的测定和分析。通过植物代谢组学、基因组学和转录组学研究数据关联分析，阐明了该亚科植物代谢表型、遗传基因与系统分类的相关性，建立了芸香亚科植物系统建化树。同时，初步筛选到381条与吲哚喹唑啉生物碱相关的特异性表达基因，包括长春碱合成酶、甲基转移酶和环化酶等与该类生物碱生物合成途径相关的基因，为后续吲哚喹唑啉生物碱的生物合成研究提供了科学依据。本项目发表论文19篇，其中SCI收录11篇；申请国家发明专利8件，其中授权5件；发表会议论文6篇，作国际学术会议大会报告1次，获国际学术会议最佳墙报奖1次。研究成果不仅为芸香亚科系统分类提供了化学和分子证据，为解决该亚科植物疑难种群分类问题提供新策略，也为植物资源开发利用提供科学依据，为其他科属的相关研究提供借鉴和模式。