目的 研究不同生长年限巴戟天Morinda officinalis根部蒽醌类化合物的含量差异及生物合成相关基因.方法 采用HPLC测定1年生和6年生巴戟天根中蒽醌类化合物成分,并进行比较转录组分析,采用qRT-PCR验证基因表达结果.结果 HPLC检测结果显示在6年生根中蒽醌类物质显著增加,通过比较转录组分析,从1年生和6年生巴戟天的根中筛选到8619条差异表达基因,KEGG分析表明差异基因主要富集在各种次生代谢物的生物合成、苯丙素生物合成、泛醌和其他萜类醌生物合成等通路中.此外,共鉴定到13条蒽醌生物合成途径相关的差异表达Unigenes,其中ICS、SK、CS、DHNA-CoA synthase均在6年生根中上调表达,而 DXS、DXR、DAHPS、IDH均下调表达,DHQD/SDH既有上调表达的又有下调表达的Unigenes.进一步选择6个候选基因进行qRT-PCR验证,验证结果与转录组数据一致.结论 为鉴别参与巴戟天蒽醌生物合成的相关基因提供参考,为后期进一步深入研究蒽醌类生物合成的累积规律分子机制提供基础数据.

为揭示何首乌叶片与块根中代谢物的种类与相对含量差异,提高何首乌资源的综合利用率,采用UPLC-MS/MS广泛靶向代谢组学的方法对何首乌的块根与叶片中的代谢物成分进行检测,并结合主成分分析、层次聚类分析和正交偏最小二乘法判别分析,筛选何首乌叶片与块根间的差异代谢物.结果表明,何首乌叶片和块根中共检测到15类1 942种代谢物,在块根中有1 861种,叶中有1 901种,1 820种为两者共有,数量上以酚酸、黄酮、氨基酸及衍生物和生物碱为主;从两者中共筛选得到1 200个差异代谢物,占共有代谢物的65.9％,其中有813种在叶片中含量显著高于块根,387种在块根中含量显著高于叶片;黄酮类代谢物在两者中检测数量最多且差异最显著,而芪类及蒽醌类主要药效成分在块根显著富集.根据差异代谢物KEGG通路富集结果,主要在黄酮和黄酮醇生物合成通路和亚油酸代谢通路中显著富集.该研究发现何首乌中含有丰富的代谢物,叶片与块根代谢成分种类相似,但含量存在较大差异,研究结果对何首乌资源的开发与利用提供一定的理论指导.

植物毛状根是药用成分的天然优质原料,具有生长快速、生产时间短、次生代谢产物产量高、遗传稳定等优点,目前利用毛状根技术高效生产药用原料和改良药用植物品质已经成为研究热点.该文总结了与毛状根中药用成分合成途径及其调控方式相关的研究资料,发现目前提高药用植物毛状根中次生代谢物含量的途径一是改变毛状根的外在培养条件,二是对毛状根内在的次生代谢物生物合成通路进行调控;而有关毛状根次生物质代谢合成调控机制的研究主要集中于双子叶草本植物中,以研究生物碱类、黄酮类、皂苷类、萜类、苯丙素类和蒽醌类药用活性成分生物合成的调控机制为主,其中对丹参毛状根中丹参酮和甘草毛状根中甘草酸的生物合成调控机制进行了深入研究.该综述主要从调控毛状根药用成分生物合成的关键酶基因、转录因子以及新颖分子调控因子三个方面进行了系统总结,为药用植物毛状根次生代谢产物合成调控与生产提供参考.

为了鉴定多孔木霉色素的化学结构,并对其合成基因簇进行分析.本研究分离纯化环孢菌素A合成菌多孔木霉(Tolypocladium inflatum)培养液中的色素,然后通过光谱学分析初步鉴定色素的结构.在此基础上,采用生物信息学方法对色素合成基因簇进行解析.多孔木霉色素为蒽醌类物质,分子式为C15 H10 O5,含有3个苯羟基和2个酮基.T.inflatum色素与镰刀菌红素、孢子黄色素的合成基因簇同源性高,合成T.inflatum色素的基因簇共有43个开放阅读框(ORFs),核心基因为聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)合成酶基因.本研究从色素结构和合成基因簇分析入手,为进一步阐明色素的生物合成途径奠定基础.

目的 获得茜草Rubia cordifolia转录组学信息及挖掘其蒽醌类化合物生物合成的关键酶基因,为茜草的功能基因克隆与分析提供参考.方法 采用Illunima HiseqTM 2000 150PE高通量测序技术对茜草进行转录组测序,使用Trinity软件完成Unigene的de novo拼接,基于BLAST实现Unigene的分类、功能注释、代谢通路分析和蛋白功能注释等.结果 最终获得7.3 Gb数据,通过de novo拼接注释得到Unigene 66 646条,平均长度为l 424 bp,所有Unigene能被NCBI nonredundant protein sequences (NR)、NCBI nucleotide sequences (NT)、kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG)、Amanually annotated and reviewed protein sequence database (Swissprot)、gene ontology (GO)、euKaryotic ortholog groups (KOG)和protein family (Pfam)数据库所注释,注释成功率100％,找到与茜草蒽醌类化合物生物合成相关的基因64条.结论 首次对茜草转录组进行了分析,并获得了茜草蒽醌类化合物生物合成相关的候选基因,为茜草的分子生物学研究提供了丰富的数据资源,也为后期开展茜草蒽醌类化合物次生代谢途径解析奠定了基础.

蒽醌为中药大黄的主要活性成分,也是大黄质量控制的指标成分.为研究大黄蒽醌类生物合成通路,用Illumina HiSeqTM 2000 150PE对掌叶大黄幼苗转录组文库进行高通量测序,得到11.04 G数据,736 309 74条高质量reads (SRA数据库注册号SRP160030).Trinity do novo组装产生93 646个unigenes,平均长度l 108 nt.功能注释表明所有unigenes在NR、NT、Swiss-port、PFAM、KOG等数据库得到注释,可归为GO分类的生物过程、细胞组分和分子功能3大类57分支,KEGG分析发现1107条unigenes参与19个次生代谢标准通路.172条unigenes编码蒽醌类生物合成相关的MVA、MEP、莽草酸及聚酮途径28个关键酶.125条CYP450基因可能参与次生代谢物的修饰,73条与糖基转移酶相关.RT-PCR和测序成功验证7个蒽醌及黄酮类候选全长unigenes.MISA还发现18 885个SSRs.该研究首次获得掌叶大黄幼苗转录组基因表达特征及蒽醌类生物合成通路基因,为后续基因功能鉴定、次生代谢途径解析及蒽醌类生物合成与调控分子机制研究提供基础资料.

目的 获得药用大黄(Rheum officinale Baill.)转录组信息特征及蒽醌类生物合成通路基因.方法 采用高通量测序平台Illumina HiSeqTM2000 150PE进行大黄幼苗转录组测序并进行系统的生物信息学分析,结合文献报道筛选蒽醌类生物合成通路基因.结果 转录组测序共得到9.34 Gb有效数据(clean data),62 240 114条高质量读长(reads)(SRA数据库注册号SRP160410).Trinity组装成82 229个单基因(unigene),平均长度1 082 nt.BLAST分析显示64 361条unigene (78.23％)在NR、NT、Swiss-port、PFAM、KOG数据库得到注释信息;基因本体论(gene ontology,GO)分类的生物过程、细胞组分和分子功能进一步分为57分支;KEGG分析发现1 253条unigenes参与17个次生代谢标准通路.195条基因编码蒽醌类生物合成相关的MVA、MEP、莽草酸和聚酮途径关键酶,166条CYP450基因、66条糖基转移酶基因可能参与次生代谢物的修饰.MISA分析发现转录组包含16 378个简单重复序列(simple sequence repeats,SSRs).结论 利用高通量测序技术和生物信息分析获得药用大黄转录组信息特征,为后期功能基因鉴定、次生代谢途径解析及其调控机制研究奠定基础.

目的 链霉菌具有丰富次级代谢产物合成能力,对链霉菌CPCC 200510产生的色素类次级代谢产物进行研究.方法 对该菌株的次级代谢产物进行乙酸乙酯提取、ODS色谱柱分离、半制备HPLC分离纯化、NMR结构解析和生物活性检测.结果 得到6个黄色化合物,分别为1,8-二羟基-3-甲基蒽醌(大黄酚,1)、2-乙酰-1,8-二羟基-3-甲基蒽醌(2)、2-乙酰-1,8-二羟基-3-羧甲基蒽醌(3)、1,2,8-三羟基-3-甲基蒽醌(4)、1-(7-乙酰-8-羟基苯并[de]色烯-2-基)-2-丙酮(5)和1-(8-羟基-2-甲基苯并[de]色烯-7-基)乙酮(6),为一组生物合成相关的芳香聚酮类化合物.其中,1～3为链霉菌CPCC 200510产生的主要组分.生物活性测定表明,1～3具有抗肿瘤细胞或抗病毒活性.结论 链霉菌CPCC 200510有望作为大黄酚类化合物的微生物产生菌.

1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase,DXR)是MEP途径的关键酶之一,参与植物萜类与蒽醌等化合物的生物合成.萜类与蒽醌类化合物在较多豆科植物中存在,研究豆科植物dxr基因的密码子偏好性,对以dxr基因为靶点的分子调控具有重要指导意义.运用CodonW、CHIPS、CUSP和CAI等程序分析豆科植物drx基因密码子的偏好性,并用豆科植物决明的dxr基因对分析结果的可靠性进行验证.研究成果显示,以A或U结尾的密码子在dxr基因的密码子中表现出较强的偏好性.相比于烟草,拟南芥更适合作为研究dxr基因功能的模式植物.比较豆科植物dxr基因与大肠杆菌及酵母基因组密码子偏好性,发现酵母的差异明显低于大肠杆菌,表明对于豆科植物dxr基因来说,酵母表达系统比大肠杆菌表达系统更好.但是要使豆科植物dxr基因在酵母表达系统中具有高表达效率,仍需对其密码子进行优化.

醌那霉素是由Ⅱ型聚酮合酶系统产生的一类角蒽环类聚酮化合物.从结构上看,其具有三个显著的特征:苯并芴核、高度氧化的A环以及芴环上的重氮基团.醌那霉素因其特殊的苯并芴结构以及良好的生物活性,引起了科研人员广泛的研究兴趣.但是迄今醌那霉素的生物合成途径并没有得到完全的解析,尤其是对重氮基团的形成.前期研究因缺少醌那霉素完整的生物合成基因簇信息而受到阻碍.本课题组最近确证了醌那霉素的完整生物合成基因簇,共包含62个基因,其中有8个基因并没有被报道过.通过生物信息学分析,本研究发现其中alp2F和alp2G基因与cremeomycin生物合成中的creE和creD具有高度的同源性.creE和creD基因产物通过催化天冬氨酸生成亚硝酸,其后亚硝酸在酸性条件下自发加载到化合物的碳骨架上,实现重氮基团的加载.本研究通过体外酶催化反应证实了Alp2F和Alp2G同样可以催化天冬氨酸生成亚硝酸.亚硝酸钠喂养实验进一步确证了亚硝酸盐参与醌那霉素的合成.alp2F和alp2G基因功能体外和体内的确证,不仅是对醌那霉素生物合成基因簇中未知基因功能的表征,也对阐明醌那霉素家族天然产物中重氮基团的形成有启发意义.