紫草细胞中乙烯对光信号的响应及其对次生代谢的调控研究

紫草细胞可合成具有多种药效的次生代谢产物，具有重要的药用和经济价值。光信号是调控其次生代谢的关键环节，预研结果表明乙烯信号能够响应光信号的调节，并参与了紫草次生代谢的合成调控，然而其响应及调控的网络分子机制还知之甚少。本项目拟采用紫草培养细胞（callus cells）和/或毛状根（hairy roots）体系，探讨乙烯分子及其合成和信号转导途径相关基因（ARD、ACS、ACO、ERF等）对不同光信号（黑暗、白/蓝/红光）的响应机制，并通过药理学（合成和信号转导途径抑制剂AVG、Ag+）、2D-DIGE和转基因（OE和RNAi）等手段，多层次【生理机制+蛋白质组学+关键基因功能鉴定】协同解析乙烯在调控紫草次生代谢中的作用及乙烯调控紫草宁合成的基因和蛋白网络分子机制。该研究具有较强的创新性，将为深入揭示紫草天然产物的合成及受光信号调控的分子机制，以及非模式植物的次生代谢生物工程实践奠定基础。

紫草细胞可合成具有多种药效的次生代谢产物，具有重要的药用和经济价值。光信号是调控其次生代谢的关键环节，预研结果表明乙烯信号能够响应光信号的调节，并参与了紫草次生代谢的合成调控，然而其响应及调控的网络分子机制还知之甚少。本项目采用紫草细胞（callus cells）和毛状根（hairy roots）培养体系，深入探讨了乙烯响应光信号及其调控紫草宁合成的生理和分子机制。. 研究成果主要包括：（1）采用RACE法克隆了紫草中乙烯合成（ARD、ACS、ACO）和信号转导（ERF、EIL）途径关键基因的cDNA全长。（2）明确了光信号对乙烯合成和信号转导途径相关基因具有显著的调控效应，如ERF在黑暗条件下被强烈诱导，而白光、蓝光和红光均对ERF基因的表达呈现不同程度的抑制效应。（3）明确了细胞从B5培养基转入M9培养基在黑暗条件下培养合成紫草宁时乙烯信号分子的合成动态模式。（4）采用乙烯合成和信号转导途径抑制剂如AVG、Ag+等处理紫草细胞，揭示了不同的紫草培养体系，乙烯的效应不同，提出了紫草宁的合成响应乙烯信号分子具有浓度依赖性的机制模型。（5）通过2-DE技术，发现了受乙烯调控的紫草重要蛋白分子，初步明确了乙烯调控紫草宁合成的蛋白表达调控机制。（6）通过转基因策略（OE和RNAi）获得了ACS基因的紫草转基因毛状根株系，揭示了在毛状根体系中，ACS的过表达促进了部分紫草宁合成关键基因的表达，且ACS的表达及乙烯含量在一定范围内与紫草宁的合成呈正相关。（7）获得了1个高产紫草宁的紫草转基因毛状根株系，并申请1项国家发明专利(No. 201310286872.4)；（8）已发表相关SCI论文4篇，中文期刊论文2篇，会议论文3篇。本项目研究结果为深入揭示紫草天然产物的合成及受光信号调控的分子机制，以及非模式植物的次生代谢生物工程实践奠定了基础。