基于荆芥腺毛生物学特性的药材品质形成机理研究

The pros and cons of TCM quality affects the security and effectiveness of clinical practice directly, which formation mechanism is the key to ensuring a stable quality. Because the medicinal parts of herba Chinese medicine include the stem, leave, flower, fruit, seeds, etc., varying in quality, it is difficult to establish quality evaluation index. Based on tissue specificity of secondary metabolites, it is hypothesized that tissue and cell are the micro-level carrier of medicine quality. Glandular hairs are important indicators of Schizonepetae Herba quality evaluation, and glandular hairs index reflects the difference of it. This project will systematically research the development of Schizonepetae Herba glandular hairs and study the secretion and storage of its volatile oil qualitatively and quantitatively from the organ, tissue, cellular and molecular level respectively, in order to reveal the relationship between the distribution of glandular hairs and the accumulation of volatile oil at different growth stage. Furthermore, it will analyse morphological histological characteristics of glandular hairs, chemical composition and differences in the expression of key enzymes, explore terpenoid biosynthetic pathway of volatile oil, to reveal the relationship between molecular biology characteristics of Schizonepetae Herba glandular hairs and medicinal quality formation. The project is designed to explain the scientific significance of traditional medicinal part selection, provide an objective basis for quality evaluation of TCM and inject fresh impetus into the development of Authentication of Chinese Medicines, also provide a basis for bioengineering pharmaceutical.

中药品质的优劣直接影响到中医临床应用的安全、有效，其形成机理研究是确保中药品质稳定的关键。全草类中药的药用部位常包括茎、叶、花、果实、种子等多个器官，品质变化大，评价指标难以确立。依据次生代谢产物的组织特异性，本课题提出在器官水平上，组织、细胞是微观层面的药材品质载体假说，腺毛是荆芥品质评价的重要指标，腺毛指数反映荆芥品质差异。本课题从器官、组织、细胞、分子水平上，系统研究荆芥腺毛的发生、发育过程，定性、定量研究其挥发油的分泌、贮藏过程，以揭示不同生长时期，腺毛在植株上的分布规律与挥发油的累积规律之间的关系；分析荆芥不同生长时期腺毛的形态组织学特性、化学成分及关键酶表达的差异性，探索挥发油中萜类化合物的生物合成途径，以揭示荆芥腺毛分子生物学特性与药材品质形成之间的关系。实现从组织、细胞、分子水平，阐释传统药用部位选择的科学意义，为中药品质评价提供新的客观依据，也为生物工程制药提供基础。

中药材多为天然产物的初加工品，其药用部位是药材品质的主要载体。本项目通过检测DPPH的方法评价荆芥挥发油的抗氧化活性强弱，发现起作用的物质基础为胡薄荷酮和薄荷酮，同时发现荆芥挥发油有较强的抗炎作用。腺毛作为荆芥活性物质挥发油的重要载体，其研究基础非常薄弱。.本项目从器官、组织、细胞三个水平，对比分析荆芥植株上不同种类腺毛的形态、分布和成分，定性和定量的研究其中挥发油的分泌、贮藏和变化规律。.运用腺毛分离方法创新地实现了荆芥腺毛的分离纯化，和荆芥挥发油中的成分对比，确定了荆芥挥发油中的单萜类成分的手性结构为（+）-柠檬烯、（-）-胡薄荷酮和（+）-薄荷酮三种薄荷烷类单萜。这三种成分也为腺鳞中主要单萜类成分，确定腺鳞为荆芥活性物质成分挥发油的主要载体。建立了分离腺鳞及原位腺鳞的计数方法，并以此为基准建立荆芥穗萼片中此三种萜类的含量估算模型；并且发现随着腺鳞生长时期推移中（-）-胡薄荷酮含量下降的同时（+）-薄荷酮含量增加。同时利用体外酶促反应对腺鳞中的参与单萜类成分生物合的关键酶进行活性检测 ，我们检测到 (+)-LS、 (+)-ISPD和 (+)-ISPR的活性。在此基础上，推测出荆芥薄荷烷类单萜的生物合成路径，同时根据转录组数据筛选出5条参与荆芥薄荷烷类单萜合成的候选基因，成功体外验证（+）-ST-ISPR、（+）-ST-ISPD、（-）-ST-PR基因的功能。同时为了探究不同手性结构的生物合成机制，对胡椒薄荷中的（-）-Mt-ISPR、（-）-Mt-ISPD、（+）-Mt-PR三种同源基因进行克隆和表达。酶促结果表明，这六种蛋白对于底物的手性结构没有选择性。本项目比较南北荆芥穗的蛋白质表达情况，显示南荆芥上调蛋白主要参与光合作用体系，而下调蛋白主要参与植物体的有氧呼吸。.本研究确定了三个参与荆芥单萜类成分的生物合路径的关键酶基因。为揭示荆芥挥发油合成分子机制提供依据，为下一步建立荆芥挥发油代谢工程提供依据和方向。已发表论文8篇，SCI收录3篇，1篇SCI论文整理中。