基于转录组学和代谢组学的茅苍术资源品质研究

Atractylodes lancea, mainly distributed in Dabie Mountain and Mao Mountain, is a commonly used medicinal plant, with terpenes as its principal effective component, such as atractylodin, atractylone, β-eudesmol, and hinesol. The quality of germplasm resources differs since the effective component varied in plants with different producing area. However, it is lack of study on the level of systems biology. Additionally, the molecular mechanism of effective component biosynthesis is still poorly understood, which severely impedes the study on germplasm resources usage and metabolic regulation. We have established germplasm resources garden and tissue culture system of A. lancea, and developed a GC/MS method for the component analyzing of essential oil. This project was designed to characterize the quality of germplasm resources of A. lancea from Dabie Mountain and Mao Mountain using Illumina Solexa high throughput RNA sequencing technology in association with metabolomic methods. The profiles of digital gene expression and metabolites will be established to screen the key gene for effective component biosynthesis. Finally, RACE, bacterial expression system, and qRT-PCR will be employed to characterize whole gene sequence, gene function and expression profile, respectively. The results will provide new idea for the study of the quality of germplasm resources, and provide a scientific basis for the elucidating of effective component biosynthesis and regulation. Furthermore, this project will facilitate the metabolic engineering and directed breeding of A. lancea with higher quantity of essential oil.

茅苍术为燥湿健脾的常用中药，主产湖北大别山和江苏茅山地区，主要有效成分为苍术素、β-桉叶醇、苍术酮、茅术醇等萜类化合物。不同产地茅苍术成分的差异造成资源品质的不同，但目前尚缺乏系统生物学水平的资源品质研究。加上有效成分生物合成途径关键步骤萜类骨架的环化机制尚不清楚，极大限制了茅苍术资源开发利用及代谢调控的开展。课题组已建立了茅苍术种质资源圃、组织培养体系和挥发油GC/MS分析方法，本项目拟采用Solexa高通量转录组测序结合基于GC/MS技术的代谢组学方法，系统研究不同产地茅苍术的资源品质；通过构建基因表达谱和代谢谱，筛选负责萜类骨架环化的关键基因，再利用RACE及原核表达系统进行基因克隆及功能鉴定；最后利用qRT-PCR研究关键基因的表达模式。本研究结果将为研究植物资源品质提供新思路，为阐明茅苍术有效成分合成和调控的分子机制提供科学依据，并为优质新品种选育及资源创新、利用奠定理论基础。

菊科植物茅苍术（Atractylodes lancea (Thunb.) DC.）是中药苍术的基原植物之一，以根状茎入药，有燥湿健脾、祛风散寒、明目等功效。茅苍术历史道地产区为江苏茅山一带，但由于野生资源受到掠夺性采挖而破坏，导致无法为国内外市场提供药材货源。地处湖北省东部大别山地区的英山、罗田等县人工规模化种植茅苍术，加上当地丰富的野生资源，茅苍术的主产区目前已移至湖北大别山东部、大洪山至荆山一带，供应市场的茅苍术也主要为湖北栽培品。本项目针对传统道地产区江苏茅山和近几十年新兴湖北产区的茅苍术，开展了基于转录组学和代谢组学的资源品质评价研究，并据此筛选、克隆负责萜类生物合成的关键基因，旨在阐释不同产地茅苍术资源品质特征，并试图揭示茅苍术萜类生物合成和调控的分子机制，取得了预期研究成果。.本项目首先开展了江苏茅山和湖北大别山两地所产野生茅苍术的转录组学和代谢组学研究，通过研究两地产茅苍术叶和根茎中的差异表达基因和差异代谢物，综合阐释了两地茅苍术的资源品质特征，为茅苍术道地性形成机制研究提供了科学依据。以此为基础，筛选、克隆出茅苍术7个萜类生物合成关键基因（AlDXS、AlFPS及AlTPS1-5），并阐明了其表达特征，为阐明茅苍术有效成分生物合成的分子机制提供了基础。此外，为保障本项目的顺利实施，还额外开展了茅苍术基因组大小及染色体分析、茅苍术五种典型类型的形态研究及品质研究、茅苍术种子形态结构及萌发特性研究、栽培茅苍术根瘤形态构造挥发油及根瘤内生菌研究、茅苍术根茎形成及生长分子机制研究、茅苍术根茎新老部位的品质研究等6项计划外研究内容，取得了满意的研究结果，对本项目原计划研究内容起到有益的补充作用。.本资助项目通过3年的研究，完成了预期成果目标，明确了7个茅苍术有效成分合成关键基因，发表学术论文8篇（其中一篇为SCI论文，待发表论文3篇）；培养本科毕业实习生7名，硕士生2名，博士生1名，青年骨干教师3名。