怀地黄块根的基因组DNA甲基化修饰与梓醇积累关系研究

Geoherbalism formation of medicinal plant is mainly related to the interaction between genotype and environment, while epigenetics plays an important role in organisms adapting to environment. DNA methylation is one of the most important phenomena in epigenetics and has been a hotspot recently, but research about DNA methylation in medicinal plant is less, especially has not been reported in Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao. In this study, root tuber of Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao would be experimental material, catalpol accumulation and genome DNA methylation of root tuber from Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao in different producing areas would be studied by epigenetics, structural biology, phytochemistry and other methods, simultaneously root tuber of Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao treated with 5-azaC would be contrast experiment, and the correlation among environment, DNA methylation and effective constituent of Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao would be also analyzed to discuss role of DNA methylation modification in geoherbalism formation of Rehmannia glutinosa f. Hueichingensis Hsiao, which would provide reference to reveal mechanism on geoherbalism of medicinal plants from the perspective of epigentics.

药用植物道地性的形成主要是基因型和环境相互作用的结果，而表观遗传在生物应答环境的过程中起到重要作用。DNA甲基化是表观遗传最重要的现象之一，已成为当前研究的热点，但是关于药用植物DNA甲基化的研究比较少，尤其怀地黄DNA甲基化的相关研究尚未见报道。本项目拟以怀地黄85-5的块根为实验材料，应用表观遗传学、结构生物学、植物化学等手段，对栽培于不同产区的怀地黄块根的梓醇积累、基因组DNA甲基化修饰等进行研究，同时应用DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷胁迫处理的怀地黄块根作对比实验，分析DNA甲基化在怀地黄块根的有效成分积累以及应答不同生态环境中的调节作用，以期揭示DNA甲基化在怀地黄道地性形成过程中的作用，也为从表观遗传学角度研究药用植物道地性的机理提供借鉴和参考。

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，在植物的生长发育、胁迫应答、基因表达等方面具有重要的调控作用，本项目对不同产区怀地黄的DNA甲基化程度、模式以及梓醇积累等进行了研究。研究结果表明，怀地黄基因组中5-甲基胞嘧啶比例随着怀地黄的生长而增加，且叶基因组中5-甲基胞嘧啶比例高于根的，怀地黄的DNA甲基化水平也随着怀地黄的生长而增加，不同产区怀地黄的DNA甲基化存在差异，与新乡地黄相比，温县地黄根、叶的5-甲基胞嘧啶比例较高，而且温县地黄的DNA半甲基化水平低于其全甲基化水平，但是新乡地黄的DNA半甲基化水平却高于其全甲基化水平。随着怀地黄的生长，梓醇含量也不断增加，而且除了收获期外叶中梓醇含量都高于根的。梓醇合成相关基因DXR、GPPS和G10H的表达也随着怀地黄的生长而增加，且在叶中的表达显著高于根的，但是GPPS在第Ⅰ期叶中的表达却较低。不同产区怀地黄的梓醇积累也不同，温县地黄根、叶的梓醇含量高于新乡地黄的，DXR、GPPS和G10H基因在温县地黄根中的表达较高，在温县地黄叶中的表达于第Ⅰ-Ⅳ期也较高。进一步分析发现DNA甲基化抑制剂5-azaC处理下怀地黄出现矮化、叶生长缓慢现象，随着5-azaC浓度的升高，怀地黄的梓醇含量降低。在5-azaC处理下，怀地黄根、叶的DNA甲基化发生变化，以去甲基化为主，且DNA去甲基化程度随着5-azaC浓度的升高而增加，100-250μM 5-azaC处理下尤其显著。本研究成果对于研究DNA甲基化在怀地黄有效成分积累中的调控作用具有重要意义，为药用植物道地性形成机理的表观遗传学研究提供了参考依据。