珠子参皂苷生物合成途径及其调控研究

Panax japonicus is a kind of medicinal plant, which belongs to Panax L.. The production of P. japonicus in Yunnan province occupies most of the total amount. The main active ingredients in P. japonicus are saponins. The medicines which are composed of P. japonicus have been widely used in clinic. Because of the harsh growth environment, long growth periods (≥6 years), difficult artificial planting and wild resource exhaustion, the gap between supply and demand has been broadened significantly. The basic research of the biosynthetic pathway of P. japonicus saponins needs to be carried out in order to lay the foundation for solving the medicinal resource shortage by modern biotechnology. In this proposed project, the object is the cultured P. japonicus cells in vitro, and metabolic engineering will be used. Based on the general biosynthetic pathway of triterpenoid saponins, the key genes and transcription factors will be cloned and screened. The functions of genes and transcription factors will be analyzed and identified in order to confirm the status and role of those in the process of P. japonicus saponins biosynthesis. Moreover, the plant regeneration system of transgenic P. japonicus cells will be studied. On the basis of above researches, the biosynthetic pathway of P. japonicus saponins will be revealed, the reliable and multifaceted control techniques of high performance will be set up in order to provide theory evidence and technique reference for the high expression system construction (homology or nonhomology) of P. japonicus saponins.

珠子参(Panax japonicus)为人参属药用植物，主产于云南省。珠子参皂苷是珠子参的主要药用成分，以珠子参为组分的药品在临床上广泛使用。珠子参对生境要求苛刻，生长周期长(≥6年)，人工种植困难，野生资源日渐枯竭，供需矛盾突出，有必要开展与珠子参皂苷生物合成相关的基础研究工作，为运用现代生物技术解决药用资源短缺问题奠定基础。本课题以体外培养的珠子参细胞为研究对象，采用代谢工程研究思路，基于三萜皂苷理论合成途径，克隆、筛选珠子参皂苷生物合成相关的重要基因和转录因子，并对获得的基因以及转录因子进行功能分析和鉴定，明确它们在珠子参皂苷生物合成过程中的地位和作用。同时，建立可靠的转基因珠子参细胞植株再生体系。通过上述研究，力图解析珠子参皂苷的生物合成途径，获得高效、稳定、多层面的珠子参皂苷合成调控技术，为珠子参皂苷同源或异源高效表达系统的建立提供理论参考和依据。

珠子参（Panax japonicus）为人参属名贵中药材，其活性成分为三萜皂苷。珠子参对生境要求苛刻，生长周期长，人工种植困难，野生资源日渐枯竭，供需矛盾突出。长远来看，合成生物学方法是解决药用资源短缺问题的关键技术手段。因此，有必要开展与珠子参皂苷生物合成相关的基础研究工作。本研究获得了一系列与珠子参皂苷生物合成相关的关键酶基因和转录因子基因，采用基因过表达以及RNAi技术，明确了皂苷合成途径关键酶和转录因子对珠子参皂苷生物合成的影响，并进一步探讨了双基因同时过表达对皂苷合成的协同作用。结果表明，关键酶基因过表达可以显著增强皂苷的合成，双基因共过表达对皂苷合成的影响更加显著，表现出叠加效应。同时，我们证明了转录因子通过与皂苷合成途径中关键酶基因的启动子序列结合，来调控关键酶基因的表达，进而间接影响皂苷合成，其调控作用具备“多点调控”的特点，转录因子在珠子参皂苷合成中具有比途径中关键酶更高的调控地位。项目的开展，从分子水平建立了调控珠子参皂苷生物合成的有效方法和途径。此外，基于合成生物学理论，我们利用珠子参的β-AS基因，在三七中构建了齐墩果烷型合成支路，打破传统认识，创造性地在三七中合成了珠子参所含的竹节参皂苷Ⅳ和Ⅳa，为从“属”的层面探讨人参属三萜皂苷合成的共性问题奠定了基础。