药用植物紫锥菊活性成分生物合成关键基因的鉴定与代谢工程研究

Echinacea purpurea is widely accepted as a medicinal plant in western countries and has recently been introduced to China. Caffeic acid derivatives, one of the important families of phenylpropanoids, are the most important bioactive compounds in E. purpurea. Despite the rapid progress of the identification of the functions of bioactive compounds in E. purpurea, biosynthetic pathways of major compounds are still not well known. This project is going to establish a rapid E. purpurea hairy root tissue culture system. Using this system, together with RNA-seq, metabolomics data and proteomics data, we are going to identify biosynthetic and transcriptional regulatory genes of major caffeic acid derivatives in this speceis. In addition, using identified biosynthesis genes, together with transcriptional enhancer, we are going to engineer the biosynthesis pathway of important caffeic acid derivatives of E. purpurea, in a model plant tomato (Solanum lycopersicum).

中文摘要：紫锥菊作为一种药物植物在欧美获得了广泛认可，大量紫锥菊提取物已经通过欧美各种认证体系。我国近年来也开始大量引入紫锥菊做为药用原材料。在紫锥菊中，最重要的药用成分是咖啡酸衍生物，它们是一类非常重要的苯丙烷类化合物。目前国际上对紫锥菊的研究还主要停留在改良栽培条件和提取活性物质的工艺上，而对于紫锥菊有效成分的合成途径、调控及异源生物合成仍缺乏深入研究。本研究项目旨在通过建立快速的紫锥菊组织培养体系，对紫锥菊组织培养毛状根的代谢组学、转录组学以及蛋白组学进行分析，分离和鉴定紫锥菊中咖啡酸衍生物的生物合成基因及其调控因子。利用模式植物番茄中建立起来的苯丙烷类化合物生物合成系统，转基因导入咖啡酸衍生物的关键基因，在番茄果实中大量合成紫锥菊中的重要活性成分咖啡酸衍生物，为制造成药提供来源稳定的原材料。

紫锥菊是来自于北美的一种药用植物，由于其药用功效一直受到欧美市场的广泛青睐。我国从上世纪70年代开始以观赏植物引进紫锥菊。自上世纪90年代起，全世界掀起了对紫锥菊的药用保健功效研究热潮，一大批关键化合物的功效被深入研究，一大批相关产品在国内外批量上市。尽管对紫锥菊的药用成分有了深入研究，但是对这些药用成分的合成途径却一直缺乏系统研究。在本项目中，我们选择主要商用品种紫松果菊为研究对象，对其主要药用成分菊苣酸的合成途径进行了深入研究。通过蛋白活性追踪、蛋白质谱技术、基因克隆、体内外酶活性验证等一系列技术手段。我们成功解析了紫松果菊中的菊苣酸合成全途径并实现了在本氏烟草中重构途径。我们发现菊苣酸合成主要有两个阶段，由两种不同类型的乙酰基转移酶在不同细胞器中实现：在细胞质中咖啡酰辅酶A在BAHD家族转移酶EpHQT和EpHTT的作用下分别生成绿原酸和咖啡酰酒石酸，两个中间产物进入液泡中，在一个SCPL家族转移酶EpCAS作用下合成菊苣酸。通过本项研究，我们成功解析了菊苣酸合成全途径，为下一步利用合成生物学实现全合成菊苣酸，以及利用多种技术手段提高紫锥菊药效提供了重要理论支撑。我们的发现也同时拓展了现有对乙酰基转移酶的认识，对其他类似研究有指导意义。