乙烯调控长春花萜类吲哚生物碱合成的代谢和分子机制研究

Catharanthus roseus, as the natural source of anti-cancer drugs, produces a diversity of terpenoid indole alkaloids (TIAs) of highly medical and economic value. The TIA biosynthesis is induced by multiple plant hormones. Ethylene is one of the important plant hormones that could control TIAs production in C. roseus. But there is few reports about its regulation mechanism. This project focuses on revealing the metabolic and molecular mechanism of ethylene in regulating TIAs biosynthesis using metabolomic and molecular approvals. Under ethylene treatment, C. roseus metabolome, intermediates of TIAs pathway and related gene transcripts will be measured and analysed to find targeted metabolites, targeted genes and involved CrERF transcription factors regulated by ethylene signal in the TIAs pathway. Interaction between CrERFs and targeted genes will be studied to explore the regulation mechanism of ethylene on the TIAs biosynthesis. The project will further elucidate the ethylene regulation on TIAs pathway for better understanding TIAs biosynthesis and regulation in C. roseus, which will establish a new way to increase the alkaloids production by metabolic engineering.

长春花作为提供抗癌药物的天然药源，体内含有种类丰富的萜类吲哚生物碱（terpenoid indole alkaloids，TIAs），极具临床医用和经济价值。TIAs合成途径受多种植物激素信号的诱导调控。乙烯作为重要的气态植物激素，已被研究证明能够促进长春花中TIAs的合成。目前，乙烯对长春花中生物碱合成的调控机制鲜有报道。本项目将结合分子生物学和NMR-代谢组学等技术手段，分析乙烯对长春花代谢组、TIAs合成中间代谢产物以及相关基因转录的诱导作用，挖掘TIAs合成途径上乙烯诱导的调控位点、靶基因以及参与乙烯调控的 CrERF类转录因子，并通过研究靶基因与CrERF类转录因子的互作，探讨乙烯调控长春花TIAs合成的代谢和分子机制。本项目不仅进一步解析乙烯对长春花TIAs合成的诱导机制，而且对深入了解TIAs在长春花中的代谢调控体系具有重要意义，为后续代谢工程提高生物碱含量及产量开辟新路径。

长春花作为提供抗癌药物的天然药源，体内含有种类丰富的萜类吲哚生物碱（terpenoid indole alkaloids，TIAs），极具临床医用和经济价值。TIAs合成途径受多种植物激素信号的诱导调控。乙烯作为重要的气态植物激素，已被研究证明能够促进长春花中TIAs的合成。目前，乙烯对长春花中生物碱合成的调控机制鲜有报道。本项目从转录和代谢水平上研究了乙烯信号对长春花萜类吲哚生物碱合成的调控作用及调控位点，通过联合分析代谢组和转录组数据，筛选到了6条可能参与萜类吲哚生物碱合成调控的长春花ERF类转录因子，并克隆其全长。通过一系列生信与生化实验，证明CrERF5是一个响应乙烯信号并负向调控长春碱生物合成途径的ERF转录因子，阐明了乙烯对TIAs合成途径的调控作用及靶基因，发现并验证了乙烯信号通路下游调控萜类吲哚生物碱的转录因子，首次揭示了乙烯信号调控生物碱合成的代谢分子机制，进一步完善萜类吲哚生物碱合成的转录调控网络，为后续研究打下了扎实基础，并为提高具有药用价值的萜类吲哚生物碱产量的代谢工程以及合成生物学研究提供新策略及新的调控靶点。