基于钾调控的麻黄质量响应机制研究

Ephedra occupies an important position in the traditional Chinese medicine, it is very necessary to conduct Ephedra quality formation research. Our previous study revealed that potassium had an important impact on the medicinal ingredients of Ephedra, on the basic of this, the study will be divided into four parts: ① a pot experiment will be used to Ephedra study under different fertility levels of K with a completely randomized design; ② establish Ephedra fingerprints and identify the common peaks, determine the marked components contents, and study the change effect on the different typological compounds, the marked components and fingerprint common peaks in Ephedra with the different potassium treatments, and ascertain the direct effect of potassium on the active ingredients; ③ select 28 physiology, growth indicators, 17 plant mineral elements, to analyze the potassium’s effect on physiology, growth indicators and other mineral elements, and at the same time to analyze these factors’ influences on the medicinal ingredients of Ephedra, then reveal potassium indirect effects on the Ephedra’s active constituents formation; ④ build the Ephedra cDNA library under different potassium treatments, conduct high-throughput sequencing of Ephedra transcriptome, and select differential expressed genes, and build functional genes coexpression network related to bioactive compounds, and reveal the function of the key modules and genes, and verify the impact of these functions genes expression on the medicinal ingredients by q-RT-PCR reaction, then reveal the molecular mechanism of potassium influences on the active constituents in Ephedra by the metabolic and regulatory pathways. This study can provide intellectual support for medicinal ingredients biosynthesis of Ephedra and crude medicine cultivation.

麻黄在中药中占有重要地位，进行麻黄质量形成机制研究十分必要，前期研究发现钾对麻黄药效成分有重要影响，本研究在此基础上进行，分四部分：①采用盆栽实验，完全随机设计种植不同钾处理麻黄；②建立麻黄指纹图谱并指认共有峰，测定标志成分含量，研究不同钾处理对麻黄不同类型化合物，指标成分，指纹图谱共有峰的影响，确定钾对药效成分的直接作用；③选择28个生理、生长指标，17种植物矿质元素，通过分析钾对生理、生长指标或其它矿质元素的影响以及这些因子对麻黄药效成分的影响，揭示钾对麻黄药效成分形成的间接作用；④构建不同钾处理麻黄cDNA文库，进行转录组高通量测序，筛选差异基因，构建与药效成分相关的功能基因共表达网络，揭示关键模块与枢纽基因功能，通过q-RT-PCR验证功能基因表达量对药效成分的影响，揭示基于钾调控的麻黄质量形成代谢途径与调控通路。开展该项研究，能够为我国麻黄药效成分生物合成、药材生产提供智力支持。

K在植物生长、发育、代谢等过程中发挥重要作用，前期研究发现钾对麻黄药效成分有重要影响，本研究种植了15个不同钾处理的麻黄，分别测定了不同钾处理麻黄中麻黄碱、伪麻黄碱、苯丙醇胺、去甲伪麻黄碱、总生物碱与总黄酮含量，建立了生物碱与非生物碱成分指纹图谱，得到生物碱部分5个共有峰，非生物碱部分14个共有峰，将这些质量指标与钾处理进行相关分析，结果显示288.7~649.6 kg/hm2的K2O施用量可显著提高药材质量。采用HS-SPME-GC-MS技术对麻黄挥发性成分进行质谱鉴定，共鉴定336种成分，不同钾处理麻黄挥发性成分变化很大，最大施钾量麻黄与不施钾相比，有10种成分显著上调，9种成分显著下调。. 测定了麻黄生长指标、生理指标、麻黄矿质成分、土壤矿质成分有效含量与全含量，分析了这些因子受钾的影响以及它们对麻黄质量的影响，结果显示，不同钾水平对麻黄根系活力、茎鲜重、茎干重、根鲜重、根干重、10cm茎重、相对生长率、叶绿素含量、酸性转化酶（AI）活性、苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性、硝酸还原酶（NR）活性、游离脯氨酸含量、过氧化物酶（POD）活性和多种矿质成分含量有显著影响，钾能够通过影响上述因子，间接影响麻黄质量。影响麻黄质量的特征因子为土壤Na、K、Ni、Si、Fe有效含量；土壤Ni、S、Na全含量；麻黄S、Na、K、P、Sr、Cu含量；麻黄AI活性、POD活性、游离脯氨酸含量与NR活性。. 选择总生物碱和总黄酮含量差最大的高、低钾处理麻黄进行转录组测序，结果显示与麻黄碱类和黄酮类相关的合成通路unigenes分别有135条和172条。构建基因共表达网络，发现turquoise模块与生物碱和黄酮表型特征最相关，从该模块筛选得到30个枢纽基因，10条通路，这些基因表达量与总生物碱、总黄酮含量显著正相关。本研究结果能够为揭示麻黄药效成分生物合成机制，确定钾在草麻黄栽培中的合理应用提供依据。