香鳞毛蕨孢子囊发育过程中萜烯合酶的生物学功能研究

Dryopteris fragrans is a unique fern resource with volatile aroma growing on specific volcanic rocks, and its distribution center is Heilongjiang Province. Previously, three key developmental stages of Dryopteris fragrans sporangium were analyzed by transcriptome. For the first time, two terpene synthase families closely related to sporangial development, DfMTPSLs similar to microbial TPS genes and DfTPSs similar to typical seed plants TPSs were found. However, the specific biological function of these two classes of terpenoids synthase in fern sporangium development is unknown. In this study, we will explore the biological functions of the main members of these two families in sporangium development by cloning and characterizing DfMTPSLs and DfTPSs genes from Dryopteris fragrans using multidisciplinary technologies and methods. This study will lay a foundation for revealing the functional mechanism of terpenoids during the reproductive development of early landing ferns. It is of great theoretical and practical significance for understanding the evolutionary characteristics of terpene metabolism in plants and the cultivation and utilization of the Dryopteris fragrans resources.

香鳞毛蕨是以黑龙江省为分布中心的、具有独特地域和资源优势的火山岩生的特色蕨类植物资源。近期，本项目组对香鳞毛蕨孢子囊发育的三个关键阶段进行了转录组分析，首次发现了与孢子囊发育密切相关的两类萜类合酶家族——类似微生物的萜烯合酶基因家族DfMTPSLs和类似种子植物的萜烯合酶基因家族DfTPSs。但这两类萜类合酶在蕨类植物孢子囊发育过程中的具体生物学功能尚属未知。本项目拟采用分子生物学、植物解剖学、遗传学、生物化学、转录组学、代谢组学和生物信息学等多学科交叉的技术与手段，对香鳞毛蕨中的DfMTPSLs和DfTPSs家族成员进行克隆和功能鉴定，深入解析两类萜烯合酶家族的主要成员在香鳞毛蕨孢子囊发育过程中的生物学功能，为揭示萜类物质在早期登陆的蕨类植物生殖发育过程中的功能机制奠定基础，这对认识萜类代谢在植物中的进化特征，以及香鳞毛蕨植物资源的栽培和利用具有重要的理论与实践意义。

香鳞毛蕨是以黑龙江省为分布中心的、具有独特地域和资源优势的火山岩生的特色蕨类植物资源。本项目组对香鳞毛蕨孢子囊发育的三个关键阶段进行了转录组分析，首次发现与孢子囊发育密切相关两类萜类合酶家族----类似微生物的萜烯合酶基因家族DfMTPSLs和种子植物中存在的典型萜烯合酶基因家族DfTPSs，两类基因在蕨类植物孢子囊发育过程中发挥的生物学功能尚属未知。.本项目研究发现真正与与孢子囊发育密切相关的萜类合酶家族是DfMTPSLs，因此利用分子生物学、植物解剖学、遗传学、生物化学、转录组学、代谢组学和生物信息学等多学科交叉的技术与手段，对DfMTPSLs进行了深入研究。结果发现，DfMTPSL1/2/9过表达烟草植株抗虫、抗干旱、抗盐胁迫和抗高温性分别有不同程度的增强；而DfMTPSL6转基因烟草植株的抗虫、抗冷和抗旱性增强，DfMTPSL6转基因烟草植株抗性的提高是由于DfMTPSL6能够催化橙花叔醇的合成。同时对香鳞毛蕨DfMTPSLs基因启动子进行克隆并对其转录活性位点进行分析，初步探究香鳞毛蕨中参与调控DfMTPSLs基因的转录因子。也对香鳞毛蕨中萜类合成途径基因DfFPPSs和DfGGPPSs的功能及其调控模式进行了初步探究。在MeJA处理后DfMTPSLs基因及萜类代谢途径基因表达量显著增加，同时GC-MS分析发现Albicanol等7种倍半萜类化合物的含量在MeJA处理后显著升高。香鳞毛蕨倍半萜类化合物Albicanol能够通过NO/iNOS调节线粒体通路拮抗镉诱导的鸡肝细胞凋亡；且Albicanol可通过PPARγ/NF-κB信号通路抑制类风湿性关节炎。初步阐明了香鳞毛蕨萜类合酶的生物学功能及其特征性成分Albicanol的生物学功能。.项目研究成果明确了早期陆生蕨类植物产生具有防御功能的挥发性萜类化合物，揭示了蕨类植物适应陆生环境的机制、为进一步揭示萜类物质在早期登陆的蕨类植物生殖发育过程中的功能机制奠定了基础。