光因子影响多穗柯黄酮类积累的分子机制

Lithocarpus polystachyus，well-known as the “Long-lived Tea” ,is an important medical plant. Recent reports indicated that its principle ingredients, flavonoids has large potential in the control of the notorious human-killer，glycuresis, giving it significant medical and economical value. In earlier research of cultivation and utilization of this plant, surprising uncertainty was found in the accumulation of its principle ingredients in different environment, and this uncertainty seriously hindered the oriented cultivation and sustainable utilization of this plant. Preliminary study suggested that light condition may be the key factor that led to the variation of ingredients in Lithocarpus polystachyus, however, the mechanism still needed to be illustrated. In this study, Lithocarpus polystachyus was used as material to investigate the influencing mechanism of light intensity, light quality and photoperiod on the accumulation of Lithocarpus polystachyus flavonoids. The key enzyme genes should be identified, and techniques of plant chemistry, enzyme analysis and Real-time PCR should be used to explain the molecular mechanism of how light affect the accumulation of Lithocarpus polystachyus flavonoids in physiological, metabolic and molecular level. The prospective of this study is the better and thorough understanding of the molecular mechanism of the Lithocarpus polystachyus flavonoids accumulation in different light environment, which will inevitably have profound effect on the oriented cultivation of this valuable medical plant.

多穗柯是我国南方重要的林源药材，是著名的“长寿茶”的原料来源；其药效主成分为黄酮类化合物，研究表明其对糖尿病的控制有着巨大的应用潜力，具有重要的药用价值和经济价值。在前期的资源培育及开发利用研究中发现，多穗柯的药效主成分含量在不同环境下存在很大的不确定性，成为其资源可持续开发利用的严重障碍。初步研究推断，光照可能是多穗柯药效主成分含量产生差异的关键影响因子，但是其作用机制有待阐明。本研究以多穗柯为研究材料，探讨不同光强、光质和光周期对主成分黄酮类化合物含量的影响机制。从药用成分生物合成关键酶基因的分离及表达分析入手，综合运用植物化学技术、酶活性分析、实时定量 PCR技术在生理水平、代谢水平和分子水平上研究光照对多穗柯黄酮的分子作用机制。本项目的研究结果，必将为深入解释多穗柯药效主成分含量产生差异的分子基础提供理论依据，同时为通过人工环境的控制进行多穗柯的定向培育提供科学依据。

多穗柯（Lithocarpus polystachyus Rehd）是一种生长在中国南方的重要药用植物，其根、茎、叶均可入药，具有降血糖、抗肿瘤等多种功效，根皮苷为其主要的活性物质。光对大多数植物体内黄酮类化合物的合成产生影响，所以研究不同光照条件对多穗柯中根皮苷合成的影响机制显得至关重要。为解决这一问题，该研究在不同光质、光强、光周期条件下培养多穗柯并对其进行了转录组测序，利用生物信息学方法系统比较测序数据结果。结果显示，每个样品获得了超过6 Gb的高质量清洁读数，从头组装成177,894个unigenes，平均长度为560 bp，43.13%的unigenes至少在一个所搜索的公共数据库中被注释；不同光照处理组中有5,977—8,027个数量不等的显著差异表达基因（DEG），GO和KEGG数据库功能富集分析标明了这些DEG所涉及的功能及生命途径；归于89个转录因子家族的转录因子在光刺激后差异表达，被鉴定为光响应转录因子；苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）和4-香豆酸辅酶A连接酶（4-coumarate coenzyme A ligase，4CL）为多穗柯根皮苷积累过程中的关键酶，PAL2、PAL、4CL1（DN121614）、4CLL7、4CL1（DN102161）的转录水平与根皮苷的积累呈正相关，推测其在根皮苷合成途径中起重要作用；使用UPLC方法测定根皮苷含量，发现给予多穗柯绿光刺激，或适当的降低光照强度，亦或适当延长光照时间，可促进根皮苷积累；绿光和光强2000 lx、3000 lx培养下的多穗柯PAL酶活性显著增加，不同光强处理组中PAL的调控优势较弱。在这项研究中，提供了多穗柯关于光响应的首份全面转录组测序数据，为阐明多穗柯中根皮苷合成的分子机理的研究奠定了基础，为揭示光照调控药用植物药用成分含量差异的分子机制提供了一定的参考。