光对丹参酮类生物合成的调控机理研究

Salvia miltiorrhiza Bunge (Family: Lamiaceae) is a well-known traditional Chinese medicinal herb. As the major active secondary metabolites of S. miltiorrhiza, tanshinones mainly accumulated in roots and rhizome which are the important medical resources for the treatment of cardiovascular disease and cerebral vascular disease in clinical. The biosynthetic pathway of tanshinones is elicited and regulated by biotic and abiotic factors. During our preliminary screening, the candidate factor light exerted an obvious effect on tanshinones distribution and accumulation. To elucidate the underlying mechanisms, the 454 GS FLX high-throughput sequencing was performed to obtain S. miltiorrhiza transcriptome expression profiling in leaves and roots.The light-regulating putative transcription factor and genes expressed in tight association with tanshinones accumulaiton would then be screened, such as COP、DET、DELLA and PIF, using microarray and real-time quantitative PCR. We then approach the screened candidate functional genes by the way of over-expression or RNAi to identify their potential functions in tanshinone accumulaitons and obtain transgenic plants of S. miltiorrhiza with high produciton of tanshinones.This work, attempted to demonstrate physiological and molecular regulation mechanisms involved in light-regulated tanshinones biosynthesis in a negative way, will provide targeted metabolic engineering to increase accumulation of tanshinones.

丹参（Salvia miltiorrhiza）为唇形科（Labiatae）鼠尾草属常用中药，以根和根茎入药，药理学表明丹参中丹参酮类化合物对于治疗心脑血管疾病具有显著疗效。据报道丹参酮作为丹参中的次生代谢产物，其生物合成途径受到各种生物及非生物因子的诱导调控，我们前期的实验结果表明光对丹参酮的生物合成有显著的影响。因此本项目拟研究光对丹参酮类生物合成的调控机制及分子基础。项目采用454 GS FLX高通量测序技术完成丹参转录组表达谱，利用表达谱芯片以及实时定量PCR的方法，筛选光诱导下与丹参酮类含量变化相一致的COP、DET、DELLA和PIF类调控因子及转录因子，克隆其全长，并利用转基因丹参体内过表达/RNAi鉴定基因的功能，获得丹参酮高产的转基因株系。项目将阐明光作为负调控因子诱导丹参酮类次生代谢物质的代谢调控机理，为丹参酮基因工程提供靶向基因。

丹参酮类化合物是药用植物丹参中重要的活性成分之一，近年来对其生物合成途径的解析已经有了很多突破性的成果，但是对其调控机制的研究并不深入。通过本项目的研究，揭示了丹参酮类生物合成的组织特异性及其受到光因子调控的代谢调控机制。项目主要研究结果包括：1）建立了丹参根和叶的转录组数据库，基于丹参酮在两个组织中生物合成的差异性分析，挖掘丹参酮生物合成的关键酶类和调控因子基因；2）通过不同诱导处理，筛选可调控丹参酮类生物合成的诱导条件，包括激素等生物因子和光等非生物因子，通过基因表达芯片及实时定量PCR对丹参酮生物合成途径关键酶基因的表达进行测定分析，确定可调控丹参酮类的转录因子；3）通过Walking的方法扩增到丹参酮生物合成途径中的特异性启动子proCPS、proKSL和proCYP76AH1，并对其转录调控元件进行预测分析。同时通过RACE获得受光调控的转录因子SmHY5、SmDET和SmERF的全长cDNA序列，克隆转录因子，并对其转录调控机制进行了分析；4）通过基因过表达/RNAi的基因工程方法，将光调控相关的转录因子转化到丹参的毛状根培养系中，通过测定丹参酮类的含量确定了光转录调控因子的功能。通过本项目的研究，阐释了丹参酮类次生代谢产物受光调控的代谢机制，为我国药用植物天然产物的开发和利用提供了理论基础。. 基于本项目研究，近2年来共发表学术论文3篇，其中2篇被SCI收录，分别发表在PLoS ONE和Science Bulletin上。总体上，本项目研究结果较深入地揭示了光对丹参酮类生物合成的调控机制，达到了预期研究目标。