龙脑樟中右旋龙脑生物合成关键酶基因BPPS的鉴定和功能研究

(+)-Borneol, which is a frequently used Chinese medicine in the clinic and patent medicines, is extracted from the only legal plant Cinnamomum camphora. However, the long growth period of camphor tree and low extraction rate hampered its production. At the same time, chemical synthesis of (+)-borneol yields abundant of by-products, including (-)-borneol, camphor and iso-borneol. Thus, resource of the (+)-borneol is scarce.. Biological modulation and synthesis offer efficient approaches for enhancing the production of natural products. By these means, researchers have isolated and identified the vital gene involved in the biosynthesis pathway of (+)-borneol, namely the bornyl pyrophosphate synthase (BPPS) gene. Nonetheless, poor homogenous in sequence is found among these BPPSs in different species. Not to mention the unsatisfactory by-product in bio-reaction of these genes. Therefore, the BPPS gene in the C. camphor, which is rich in (+)-borneol, becomes the ideal studying subject for the biosynthesis of (+)-borneol.. The best strategy for screening candidate genes involved biosynthesis pathway is to analyze the whole genome sequence, combined with transcriptome. Previously, we have obtained the whole genome sequence of C. camphor and several candidate BPPS genes. Based on these, we are going to carry out a systematic analysis on gene function and modulation of BPPS in C. camphor in this study, through in vitro and in vivo experiments. By accomplishing this study, we aim to push through a basal understanding of the biosynthesis of (+)-borneol, paving the way to resolve the resource issue of (+)-borneol.

右旋龙脑(即天然冰片)是临床处方及中药制剂常用的中药，其唯一获取来源是樟树的枝叶。但樟树生长周期长达数年，且提取效率低(不足1%)。而人工合成的冰片含有较多左旋龙脑、樟脑和异龙脑等杂质。因此，右旋龙脑面临着资源紧缺的问题。.生物调控和生物合成为提高天然化合物的产量提供有效途径。研究人员从甜舌草等物种中分离鉴定出右旋龙脑生物合成关键酶基因BPPS，但在不同物种中同源性较差，且副产物多。因此，右旋龙脑含量最高的龙脑樟体内的BPPS基因成为研究右旋龙脑生物合成的关键元件。.全基因组序列的解析结合转录组分析是获取生物合成候选基因的最佳策略。本课题组前期已获得了龙脑樟的全基因组序列和部分候选BPPS基因。本项目拟在前期研究基础上，通过系统的基因功能分析，从体外和体内两个水平研究龙脑樟中BPPS的功能和调控，为日后利用生物手段调控和生物合成手段提高右旋龙脑产量奠定基础，以期缓解右旋龙脑资源紧缺的问题。

右旋龙脑（即天然冰片）是临床处方及中药制剂常用的中药，其唯一获取来源是樟树的枝叶。但樟树生长周期长达数年，且提取效率低（不足1%）。而人工合成的冰片含有较多左旋龙脑、樟脑和异龙脑等杂质。因此，右旋龙脑面临着资源紧缺的问题。.生物调控和生物合成为提高天然化合物的产量提供有效途径。研究人员从甜舌草等物种中分离鉴定出右旋龙脑生物合成关键酶基因BPPS，但在不同物种中同源性较差，而且副产物多。因此，右旋龙脑含量最高的龙脑樟体内的BPPS基因成为研究右旋龙脑生物合成的关键元件。.本项目通过对龙脑型樟树基因组的系统分析，结合转录组、功能基因组学等技术手段，成功从樟树中分离得到8个反式异戊基二磷酸合成酶和3个龙脑生物合成关键酶BPPS：.1.通过系统分析，挖掘出樟树基因组中共有82个萜类合酶（Terpene Synthase，TPS）基因，以及10个反式异戊基二磷酸合成酶（TIDS）；.2.成功克隆得到10个樟树TIDS基因，并利用体外酶活分析鉴定了其中8个基因的功能；.3.成功克隆得到9个TPS，其中3个为BPPS，其产物在碱性磷酸酶的作用下可转化为左旋和右旋的龙脑；另外6个TPS则可催化产生挥发性单萜；.4.利用转录组分析在樟树的近缘物种阴香体内挖掘得到可能参与龙脑生物合成的TPS基因和转录组因子。.本项目的研究结果为日后利用生物手段调控和生物合成手段提高右旋龙脑产量奠定基础，以期缓解右旋龙脑资源紧缺的问题。