基于响应环境-调控合成功能基因解析红花有效成分积累的分子机制

Carthamus tinctorius L. (safflower), introduced as a dye at the beginning, is broadly cultivated and used as a TCM. in China since Han and Tang dynasties. Its genuine producing areas used to be Jianyang, Sichuan and Fengqiu, Henan, however, 80% of the safflower in market is now from Xinjiang.Previous study suggested that safflower yellow（SY）, a flavonoid, is the major effective substance in safflower; and the variation of secondary metabolites in plants, the material basis of safety and efficacy of TCM, is due to their long-term response to the change of environment.Based on our preliminary data, we propose that “SY biosynthetic genes’ response to environmental stresses is the reason of variation of SY in safflower harvested from different areas, and thus is the cause of formation and change of its genuine producing areas”.In this project, safflower test-tube plantlet will be used for chemical characterization of secondary metabolites and comparative transcriptomics analysis aiming to: screen for genes expressed differently under various simulated environment; find genes involved in SY biosynthesis; and elucidate the relationship among ecological factors, expression level of SY biosynthetic genes and accumulation of SY in safflower. Our study will provide molecular evidences of formation and change of safflower genuine producing areas, and suggest a new idea of improving cultivation of medicinal plants.

红花原以染料引入中原，栽培区域曾较广泛，汉唐始入药，后发展为活血化瘀要药，四川简阳、河南封丘逐步成其道地产区。但目前约80%红花产自新疆，产区演变的科学内涵及环境与品质的内在关系如何？植物次生代谢产物多样性源自其长期响应环境的结果，也是中药安全和有效性的物质基础。黄酮类成分红花黄色素是红花主要活性物质，我们认为“生物合成功能基因响应环境胁迫导致有效成分累积变化，是红花道地产区形成与变迁的内生驱动力”，本研究以红花试管苗为研究对象，以药用部位化学表征、基因表达及对环境胁迫响应为切入点，开展道地产区/主产区环境的模拟培养及胁迫增强培养，筛选出与红花品质密切相关的胁迫生态因子，采用比较转录组学筛选差异表达基因，挖掘红花黄酮类成分生物合成相关功能基因，探究“环境胁迫-基因表达-成分积累”三者的内在关联，以期阐明红花道地产区形成与变迁的分子内涵，也为探索药材道地性形成机制提供新的思路和方法。

红花，来源于菊科植物Carthamus tinctorius L.的干燥花，具通经活血、散瘀止痛之效。自西汉引入内地以来，我国药用红花曾主要产自四川、河南等地。而目前红花主产于新疆、云南等地，与历史产地环境差异巨大，产地变迁对红花品质的影响还不明确。为探究产地变迁对药用红花品质的影响，课题组做了以下研究：.研究调查了不同产地的红花资源，检测有效成分含量及颜色的三色度值，并进行主成分及关联性分析，从有效成分含量和性状方面评价不同产地红花药材的质量；同时基于Maxent模型预测适宜红花分布的环境因子，进行光照和土壤养分胁迫处理，研究环境因子对红花生长情况，有效成分和植物内源激素含量的影响。研究发现：光照与土壤养分均可显著影响红花中各植物内源激素的含量，而激素含量与株高差、平均生物量、有效成分含量显著相关。.随后，研究对红花的起源与产地变迁进行了初步调查，在此基础上重点分析了光照强度对红花花色及其有效成分含量的影响，同时利用转录组技术对不同光照强度处理后的红花盛花期基因表达进行测定，着重分析光照强度对红花类黄酮功能基因表达的影响。研究结果发现，在一定光照强度范围内，强光会增加红花的产量，但适宜的弱光会促进红花有效成分的积累。.此外，课题组还深入研究了环境胁迫与基因表达的关联。根据转录组测序结果，筛选得到了7个与类黄酮合成代谢相关的差异表达基因，研究克隆了类黄酮合成途径中关键功能基因——CHS、CHI和MYB，并进行生物信息学分析，初步阐明了基因表达与有效成分累积之间的关系。.本研究分析了光照、土壤、激素等多个环境因素对红花品质的影响，并对其内在机理进行初步分析，克隆了红花类黄酮合成相关基因，探究“环境胁迫-基因表达-成分积累”三者的内在关联，为红花有效成分积累的分子机制，道地产区的形成和变迁的研究和光照影响红花品质的分子机制奠定基础。