扁茎变异促进茅苍术萜类生物合成的分子机制研究

Atractylodes lancea is a commonly used medicinal plant in Traditional Chinese Medicine, with terpenes as its principal effective component, such as atractylodin, atractylone, β-eudesmol, and hinesol. The content of essential oil and main terpene component was significantly improved in stem-fasciated plants compared to normal ones duo to phytoplasma infection. The mechanisms of fasciation and improved accumulation of high terpene components are still unknown. This project was designed to characterize phytoplasma type by molecular identification. Furthermore, Illumina Solexa high throughput RNA sequencing technology in association with metabolomic methods will be employed to study the interaction between phytoplasma and the host plant. 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 qPCR will be used to characterize whole gene sequence, gene function and expression profile, respectively. The results will characterize the type of phytoplasma causing stem-fasciation of A. lancea and the mechanisms of interaction between phytoplasma and the host plant. Moreover, this project will provide a scientific basis for the elucidating of effective component biosynthesis and quality enhancement of the cultivated medicinal materials.

茅苍术是临床用于燥湿健脾的常用中药，主要有效成分为苍术素、β-桉叶醇等萜类化合物，但其生物合成机制至今未被阐明。课题组前期研究发现扁茎变异可提高栽培茅苍术根茎挥发油及主要萜类化合物含量，初步研究发现扁茎变异的发生与植原体侵染有关，但二者互作导致扁茎变异及萜类化合物生物合成增强的机制尚不清楚。本项目拟采用分子鉴定技术阐明植原体类型；采用基于GC/MS技术的代谢组学方法，结合基于高通量转录组测序的基因表达谱，系统研究植原体与宿主植物相互作用的信号通路、代谢响应及调节机制；通过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、原核表达体系及qPCR等技术进行关键基因的克隆、功能鉴定及表达特征研究。本研究结果将阐明茅苍术扁茎变异的发生原因，阐释植原体与宿主茅苍术互作促进萜类生物合成的机制，进而为阐明茅苍术有效成分生物合成机制奠定基础，也为栽培茅苍术品质的提升提供依据。

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，是临床用于燥湿健脾的常用中药，主要有效成分为挥发油中的苍术素、β-桉叶醇等化合物，但其生物合成和积累的机制至今仍不清楚。项目组成员前期研究发现部分茅苍术植株存在扁茎变异现象，典型表现为茎杆带化明显，该症状与植原体引起病害的症状相符。变异后根茎挥发油、苍术素、β-桉叶醇等化合物含量有显著提升，初步研究发现与植原体侵染有关，但机制尚不清楚。本项目针对上述问题，旨在阐明引起茅苍术扁茎变异的原因，探讨植原体与宿主植物互作调控宿主茅苍术植株的分子机制，取得了预期研究成果。.本项目首先采用分子鉴定技术阐明了引起茅苍术植株发生扁茎变异的植原体属于16SrI-B亚组；然后采用基于GC/MS技术的代谢组学方法研究了扁茎茅苍术初生和次生代谢物的差异，获得了潜在的生物标志物；另外，通过基于高通量测序的比较转录组学方法，获得了激素信号转导、萜类合成等代谢途径的差异基因，初步阐释了植原体与宿主植物相互作用的可能机制；最后，利用分子生物学技术筛选、克隆、鉴定了茅苍术萜类骨架环化的关键基因4个，为阐明茅苍术有效成分生物合成的分子机制提供了基础。.本项目通过 4 年的研究，完成了预期研究目标，揭示了侵染茅苍术造成扁茎变异的植原体类型，初步阐释了茅苍术响应植原体侵染促进次生代谢的机制，明确了4个茅苍术有效成分合成关键基因，申请了发明专利一项，发表论文10篇，培养硕士生4名、青年骨干教师3名。本项目首次报道并阐明了茅苍术植原体病害，初步探讨了植原体与宿主植物的互作机制，为茅苍术有效成分的代谢调控及药材品质的提高提供了科学依据。