瑞香狼毒环境适应性次生代谢物及其分子调控机制研究

Plant secondary metabolism, of which the products are the material bases for the plant to adapt itself to the environment changes, is the result of the interaction of plant with the ecological environment during the long-term evolution. Stellera chamaejasme L. is a plant species distributed in a large area and has strong environmental adaptability, the chemical composition of its secondary metabolites was made clear in our previous studies. Analysed by HPLC, the chemical types and contents of the secondary metabolites in this plant showed regular differences with its various altitude growing conditions. Meanwhile, the transcriptome profile of S. chamaejasme was also approched. Based on these results, using omics technologies, the variation of the secondary metabolites in S. chamaejasme growing at different gradient altitudes and its relations to the enviorenmental factors will be analysed to determine the adaptive secondary metabolites and their critical biosynthesis pathways. With molecular biological methods, the functional genes related to the adaptive secondary metabolites in S. chamaejasme will be revealed by transcriptome analysis. The molecular regulatory mechanisms of the enviorenment adaptive secondary metabolites in S. chamaejasme will be deduced to enrich basic theories for human beings to understand more about the life activities of plants and their adaption strateges to adapt to the enviorenmet changes. The implementation of this project could promote the technological development for the interdisciplinary science of phytochemistry and molecular biology. Alternatively, the results of this project are of great importance for gene regulation of plant active secondary metabolite biosynthesis and the development of modern agricultural technologies.

植物的次生代谢是植物在长期进化过程中与生态环境相互作用的结果，其产物是植物适应环境变化的物质基础。瑞香狼毒分布区域广、生态适应能力强，项目前期研究明确了其次生代谢物的化学组成；HPLC检测发现，不同海拔条件下瑞香狼毒体内次生代谢物的种类和含量存在较大差异，并呈现出一定的规律性；同时，对瑞香狼毒的转录组概况进行了分析。在此基础上，本项目结合组学技术，通过次生代谢物化学组成和含量变化与环境影响因子之间相关性分析，明确瑞香狼毒环境适应性次生代谢物及其关键生源代谢途径；以之为导引，结合分子生物学方法，通过转录组技术，开展与其环境适应性次生代谢物变化相关的功能基因研究，明确瑞香狼毒环境适应性次生代谢物的分子调控机制，以期丰富人类在认识植物生命活动及其环境适应机制方面的基础理论，促进植物化学与分子生物学交叉学科的技术发展。项目的研究成果对于基因调控植物活性代谢物生物合成和现代农业技术发展具有重要意义。

植物次生代谢是其响应环境变化的重要机制。瑞香狼毒分布范围广，生态适应能力强，为探明瑞香狼毒环境适应分子机制，本项目通过采集典型海拔自然条件下生长的瑞香狼毒样品，结合室内单因子试验，综合采用分析化学、代谢组学、转录组学、植物生理学等技术和方法，系统研究了瑞香狼毒通过环境适应性次生代谢物的合成与累积以适应生态环境变化的分子机制，取得了预期研究成果。首先，采用HPLC指纹图谱技术等分析方法，证实了瑞香狼毒体内狼毒色原酮和狼毒素的含量变化与生态因子的改变密切相关，明晰了瑞香狼毒环境适应性次生代谢物的种类及其变化规律，明确了狼毒色原酮与狼毒素两种次生代谢产物随环境因子改变而相互转化是瑞香狼毒生态适应的重要机制；从天然产物的生源代谢角度推导了瑞香狼毒生态适应性次生代谢物的生物合成途径，并采用体外化学转化与体内同位素示踪技术，印证了瑞香狼毒体内酶催化条件下的生态适应性次生代谢物的关键生源代谢途径；通过转录组学技术，明确了瑞香狼毒环境适应性次生代谢物生源代谢调控关键基因表达规律，筛选出随海拔高度升高表达量逐渐上调的基因1种，逐渐下调的基因5种。结合室内单因子试验，以瑞香狼毒组织培养幼苗为研究对象，通过变换温度、水分、盐度、紫外线等不同环境因子，研究了瑞香狼毒对不同胁迫条件的生理响应及环境适应性次生代谢物的生物合成水平，通过检测与黄酮类化合物生物合成相关的功能基因的表达量及其它生理指标，定位了相关功能调控基因，由此明确了瑞香狼毒生态适应的分子机制。项目执行期间共发表SCI论文21篇，中文核心期刊论文4篇，会议论文12篇，授权发明专利3件，申请发明专利7件，培养博士研究生5人，硕士研究生1人。项目的研究成果有助于深入理解植物应对环境变化的适应机制，在全球气候变化背景下，对于维护植物种类多样性、抗逆性农作物品种选育以及基因调控植物活性代谢物生物合成技术发展等方面具有重要意义。