同生境下GPP合酶和桉叶油素合酶基因对东紫苏挥发油的作用机制研究

Elsholtzia as medicinal plants and herbs, is with high economic value. Based on the study of the taxonomic revision and system of the genus, the author analyzed the species of Elsholtzia from three aspects of the geographical distribution, medicinal value and essential oil biosynthesis. Then，E. bodinieri is selected as a representative to study leaf structure, content and chemical components of essential oil, and gene diversity and expression of GPP synthase and cineole synthase in the same environment factors in different seasons. The correlation of leaf structure, gene expression, environment factors, and content and chemotype of essential oil will be studied on the basis. At last, the mechanisms of GPP synthase and cineole synthase and environmental factors on the content and chemotype of essential oil studied, will lay the foundation for evaluation of germplasm resources, varieties selection, and utilization of E. bodinieri.

香薷属（Elsholtzia）作为药用植物和香料植物，具有较高的经济价值。在对该属分类修订和系统学研究的基础上，作者从药用价值、地理分布和挥发油生物合成途径三个方面综合分析后，选择东紫苏（E. bodinieri）为代表，对其叶结构、挥发油含量和化学成分以及挥发油合成关键酶（GPP合酶和桉叶油素合酶）基因的基因多样性和同生境下不同季节的基因表达进行系统研究，加上环境因子的分析，研究叶结构与挥发油含量和化学型的相关性、同生境下环境因子、基因表达与挥发油含量和化学型的相关性，在此基础上重点探讨基因、环境对东紫苏挥发油含量和化学型的作用机制，为下一步东紫苏的种质资源评价筛选、品种选育和开发利用奠定基础。

香薷属（Elsholtzia）作为药用植物和芳香植物，具有较高的经济价值。本项目选择东紫苏（E. bodinieri）为代表，对其叶结构、挥发油含量和化学成分以及GPP合酶和Cineole合酶基因在同生境下不同季节的基因表达进行系统研究。东紫苏挥发油含量在居群间和个体间无明显差异，挥发油以单萜类成分为主，居群水平叶挥发油划分为3种化学型：C型、T型和CT型，个体水平出现少量具有新化学型的个体；化学型在不同年份和不同季节保持稳定，表现出一定的组织差异性，主要是花序中出现了较高含量的玫瑰呋喃，推测挥发油化学型主要受遗传因素影响。叶结构特征与挥发油含量之间具有一定的相关性，但与化学成分相关性不明显。基于3次东紫苏转录组测序数据，克隆得到7个单萜合酶候选基因、2个GPP合酶基因及1个IDI合酶基因的全长cDNA序列，并成功构建原核表达载体，上述影响挥发油合成的关键酶基因多样性较低。同生境不同季节个体水平的叶结构、挥发油含量和化学型主成分以及8个挥发油合成相关基因基因表达结合环境因子的分析表明选择与东紫苏生物量有关的当年生枝长、分枝数、叶面积作为东紫苏选育的指标，同时尝试调控腺鳞的发育，有可能实现挥发油产量的提升。环境因子主要影响萜类化合物共同前体IPP和DMAPP之间的转化，也影响了单萜和非环化单萜的合成，但不影响挥发油化学型主成分的合成，可以初步确认挥发油化学型主要受遗传因素影响。推测东紫苏挥发油C型的出现可能是NALV型Cineole合酶高效的将α-Terpineol环化反应为1,8-Cineole；同时，可能是由于某种CYP450酶将α-Terpineol转化为α-Terpinyl acetate，与NALI型Cineole合酶形成前体竞争，两种酶的转化效率在个体间的差异最终导致了CT型的波动以及T型的出现。上述结果初步对基因、环境对东紫苏挥发油含量和化学型的作用机制提出了解释，也为下一步东紫苏的种质资源评价筛选、品种选育和开发利用奠定基础。