基于转录组学和代谢组学的大黄品质差异形成的内在机制研究

Quality on Chinese medicines (QCM) is a basis for ensuring safety, efficiency and quality control of Chinese medicines, and the intrinsic mechanism of difference of QCM is a central focus of the process of QCM. The formation of difference of QCM is closely related to the adaptive evolution of its source plant; however, the underlying formative mechanism is still unclear. Therefore, understanding the molecular mechanism of adaptive evolution and distribution of bioactive components among different populations of the source plant may help us to reveal the intrinsic mechanism of the difference of QCM. Rhubarb is an important bulk medicinal material with regional differences of QCM and is an ideal candidate for studying the formative mechanism of difference of QCM. In this project, we focus on the Rheum palmatum L. to reveal the genetic basis and population adaptive characters of quality difference formation of rhubarb using transcriptomics, and to illuminate the geographical differences of its medicinal material by metabonomics. In addition, we will integrate the transcriptomics and metabonomics to analyze the pathway and key enzyme genes related to the synthesis of bioactive components detected in rhubarb, and then reveal the correlation between gene expression and discrepant metabolites. Finally, the intrinsic causes and process of the quality difference formation of rhubarb will be clarified. The findings of this project can not only reveal the intrinsic mechanism of quality difference formation of rhubarb, but also provide a new approach and theoretical basis for constructing core germplasm for rhubarb and protecting the genetic diversity of its source plants.

中药品质是保证中药安全、有效、质量可控的基础，中药品质差异形成的内在机制是中药品质研究的核心与焦点。中药品质的差异形成与其原植物的适应性进化密切相关，然而其背后的形成机制尚不明确。因此解析中药原植物适应性进化的分子机制及其药效成分的分布规律，可揭示药材品质差异的形成机制。大黄是重要的常用大宗药材，其品质存在明显的地域性差异，是研究药材品质差异形成机制的理想材料。本项目拟以掌叶大黄为研究对象，利用转录组学的研究方法探讨大黄品质差异形成的遗传学基础和适应性进化特征，利用代谢组学研究明确大黄药效成分的地缘差异，并联合转录组学和代谢组学结果阐明大黄药效成分生物合成途径及关键酶基因，解析基因表达量与大黄品质差异形成之间的相关性，综合探讨大黄品质差异形成的内在机制及过程。本项目的开展不仅能揭示大黄品质差异形成的内在机制，也可为药材核心种质库的构建和遗传多样性的保护提供新的思路和理论依据。

中药品质差异的根本原因在于其不同产区原植物间的遗传差异，并表现为代谢成分的种类及含量差异，探究中药原植物适应性遗传变异及代谢成分的地缘差异有助于阐明中药品质差异形成的内在机制。本项目以大黄原植物为研究对象，利用多组学联合分析方法从遗传层面及代谢物层面综合探讨不同分布区大黄品质差异形成的内在机制。取得主要研究结果如下：（1）群体转录组学分析结果表明大黄原植物所有居群被划分为东、西两个明显的遗传分组，该遗传分组与大黄非道地产区和道地产区划分较为一致，而且西部遗传分组可进一步划分为两个遗传谱系，这表明不同产区大黄原植物的遗传差异是造成大黄品质差异的根本内因。（2）群体选择压力分析的结果显示大黄药效成分生物合成相关的酶基因（HDMR、MK、CDPMEK、HDR、SDH、CS、PKS III、CYP450、UGT）受到选择作用的影响，说明不同地区大黄原植物产生了特定的适应性遗传变异，证实了自然选择作用对大黄品质差异的影响。（3）大黄蒽醌类成分合成相关的酶基因（MK、HDR、CS、PKS III、CYP450、UGT）的表达量在东西部两大遗传谱系间差异明显，说明与大黄药效成分合成相关酶基因在不同环境下的表达量差异对大黄品质具有重要的影响。（4）代谢组学分析结果表明大黄原植物不同遗传分组间蒽醌类、黄酮类、酚酸类、萜类等代谢成分存在明显的地缘差异，说明大黄原植物间的遗传分化是造成不同产区大黄中代谢物种类和含量的差异的主要原因，证实了遗传差异是大黄品质的差异形成的内因。（5）多种比较转录组学分析发现大黄药效成分合成相关的酶基因在其原植物不同组织中表达量呈现明显差异，不同分布区大黄原植物花色差异是特定酶基因表达量差异与环境综合作用的结果。（6）叶绿体基因组数据同样可将大黄原植物划分为东西两个遗传分支，而且提供了大量适合鉴定优质大黄种质资源的潜在分子标记。综上所述，本项目的完成不仅揭示了大黄品质差异形成的内在机制，同时为大黄种质资源的合理利用和遗传多样性保护提供理论依据。