發(fā)布時間：2020-11-16 09:50

　　 黃芩(Scutellaria baicalensis Georgi)為唇形科黃芩屬藥用植物,根入藥。主要分布于我國東北、華北、西北等地。但不同產地黃芩由于生態(tài)環(huán)境不同導致藥材質量差異很大,嚴重影響了黃芩藥材原料及其產品質量的穩(wěn)定性。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),水分是影響黃芩藥材質量形成的主要限制性生態(tài)因子,適度干旱脅迫可促進黃芩藥效成分積累。因此,本研究在此基礎上,從植物生理與分子生態(tài)學的角度,系統(tǒng)開展黃芩苷對干旱脅迫響應規(guī)律研究,探討黃芩藥材質量形成的分子生態(tài)機制,對提升黃芩精細化栽培技術、實現(xiàn)藥材質量調控具有重要的理論意義和應用價值。本研究首先探索長期干旱脅迫對黃芩苷的影響,并在此基礎上,分別對黃芩苷積累的關鍵時期進行短期干旱脅迫和短期干旱脅迫及復水研究,尋找干旱脅迫對黃芩苷積累的作用規(guī)律,并利用高通量組學的方法研究黃芩對干旱脅迫響應的轉錄調控機制,同時與光合生理、抗性生理研究相結合,揭示黃芩苷積累對干旱脅迫響應的分子生理生態(tài)機制,旨在為推進黃芩藥材質量生態(tài)調控提供科學依據(jù)和技術支撐。主要研究結果如下:1.利用Design expert 8.05b軟件Box-Behnken法對單因素下微波輔助提取黃芩藥效成分進行響應面優(yōu)化分析,得到最佳的提取條件:提取時間3.3 min,提取溫度79.40℃,液料比32.60 mL/g,乙醇濃度66.30%。在該條件下,黃芩藥效成分得率為19.79%,與軟件預測得率差異較小,此方法為研究黃芩次生代謝產物合成機理奠定基礎。2.通過人工模擬降雨對一、二年生盆栽黃芩長期干旱脅迫研究表明,重度干旱脅迫顯著抑制黃芩根生長,而輕度干旱脅迫對黃芩根生長無顯著影響。長期干旱脅迫對黃芩苷含量影響較小,但均可提高黃芩素含量。二年生黃芩在6月和9月黃芩苷含量出現(xiàn)雙高峰,并且對干旱脅迫有明顯的應答規(guī)律,該時期可能為黃芩次生代謝受水分調控的關鍵時期。此外,黃芩苷對干旱脅迫的響應規(guī)律具有短時性,可能是黃芩苷對干旱響應的次生代謝補償機制。3.以二年生營養(yǎng)期和生殖期黃芩為研究材料,分別進行短期漸進性干旱脅迫和短期干旱脅迫及復水研究,結果表明:黃芩苷含量受干旱脅迫調控作用明顯,輕、中度干旱脅迫階段黃芩苷顯著積累,重度干旱脅迫抑制了黃芩苷的合成,復水后,黃芩苷合成受抑制作用減弱。但干旱脅迫嚴重抑制營養(yǎng)期黃芩根生長。因此,生殖生長期可作為黃芩水分調控的潛在最佳時期。4.通過對黃芩光合生理、抗性生理與黃芩苷相關性分析表明,干旱脅迫前期黃芩Pn、Gs和Tr受影響較小,隨著干旱脅迫時間延長,實際光化學效率ΦPSII降低,光合作用減弱,MDA開始大量積累,細胞膜受損,黃芩激活抗氧化酶系統(tǒng),SOD、POD和CAT活性增強,滲透調節(jié)物Pro、SS和SP含量增加,此時黃芩苷和黃芩素含量均顯著增加。但是在重度干旱脅迫下,Pn、Gs和Tr受抑制顯著,同時非光化學猝滅系數(shù)NPQ顯著增加,MDA含量持續(xù)升高,SOD、POD和CAT活性明顯受到抑制,滲透調節(jié)物質SP含量降低,此時,黃芩苷含量降低,而黃芩素含量升高,表現(xiàn)出明顯的黃芩苷與黃芩素代謝轉化對干旱脅迫響應的補償調節(jié)。5.通過對干旱脅迫黃芩次生代謝合成途徑關鍵酶PAL、C4H、4CL和CHS活性研究表明:四種關鍵酶對黃芩苷合成發(fā)揮重要作用,其中與黃芩素相比,黃芩苷積累受合成途徑關鍵酶影響較大。短期、輕中度干旱脅迫能夠不同程度增強PAL、C4H、4CL和CHS酶活性,促進黃芩苷積累。長期、重度干旱脅迫會抑制4種酶的活性,黃芩苷合成受抑制。PAL和CHS對長期干旱脅迫黃芩苷調控作用明顯;而C4H、CHS和PAL分別對營養(yǎng)期、生殖期黃芩苷調控作用明顯。6.以18SrRNA為內參基因,構建sbPAL、sbC4H、sb4CL、sbCHS、sbCHI、sbFNS、sbUBGAT和sbGUS等8個黃芩苷合成途徑關鍵酶基因對干旱脅迫表達時序圖譜結果表明:干旱脅迫對關鍵酶的基因表達影響顯著�？傮w表現(xiàn)為,短期干旱脅迫可促進關鍵酶基因表達,重度干旱脅迫會抑制基因表達,但對不同基因影響程度不同。其中,sbFNS對長期干旱脅迫黃芩苷調控作用明顯;sbCHS和sbPAL基因表達模式分別與二年生營養(yǎng)期、生殖期黃芩藥效成分積累模式相近,受干旱脅迫影響表達量變化顯著,在黃芩苷合成過程中發(fā)揮重要作用,可作為黃芩質量調控重要候選基因。7.利用Illmina 4000測序平臺對對照、輕度、中度和重度干旱脅迫黃芩根進行轉錄組測序分析:共獲得93.59 GB數(shù)據(jù),拼接注釋得到57307個unigenes。有大量差異表達基因被富集到碳代謝、植物激素信號轉導、苯丙烷代謝。包括大量活性氧清除基因、滲透調節(jié)物質合成基因,研究還發(fā)現(xiàn),MYB(c49842.graph_c0)和WRKY(c59576.graph_c2)可能對干旱脅迫下黃芩苷積累具有重要的調控作用。綜上,短期干旱脅迫可作為提高黃芩藥材質量的有效手段,為精細化栽培提供技術參考。然而黃芩苷生物合成與積累并非受單一因子決定,而是光合、激素、酶活、基因表達等多因素共同作用的結果。后續(xù)研究將著重開展干旱脅迫下信號轉導、轉錄調控與黃芩苷次生代謝途徑之間的關系,闡明轉錄調控因子對關鍵酶基因表達的調控機理。
【學位單位】：吉林農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S567.239
【部分圖文】：

pathway of up-stream phenylpropane metabolism. (II) Acrial parts metabolic pathway of flavones. (III) The special metabolicpathway of baicalin in root.圖.1 黃芩中黃酮類化合物合成途徑Fig.1 Proposed pathways for flavones synthesis in Scutellaria baicalensis Georgi.

本研究技術路線圖

圖 4.1 RNA-seq 建庫流程Fig.4.1 Flowchart of RNA-seq據(jù)組裝y 軟件[241]將 clean reads 拼接成 Unigene，其原理為首先這些小片段（K-mer）延伸為較長重疊片段（Contig），長的序列即為 Unigene，而不同 Contig 之間的重疊片段采用 De Bruijn 方法和 Claen reads 序列信息識別轉錄本 功能注釋42]軟件將 Trinity 拼接所形成的 Unigene 與 NR[243]、GOCOG[247]、eggNOG[248]、KEGG[249]和 TAIR 等數(shù)據(jù)庫進氨基酸序列，利用 HMMER[250]與 Pfam[251]數(shù)據(jù)庫進行比，NR 為 NCBI 中非冗余蛋白數(shù)據(jù)庫；Swiss-Pro 為 EB蛋白數(shù)據(jù)庫；COG（Clusters of Orthologous Group-直系
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張春榮;桑雪雨;渠萌;唐曉敏;程軒軒;潘利明;楊全;;基于轉錄組測序揭示適度干旱脅迫對甘草根基因表達的調控[J];中國中藥雜志;2015年24期

2 張堅;張博;周文貴;尹飛;馬琳;李興林;;干旱脅迫對桔梗生長特性、生理特性及總皂苷成分積累的影響[J];天津中醫(yī)藥;2015年11期

3 王堯龍;黃璐琦;袁媛;查良平;;藥用植物轉錄組研究進展[J];中國中藥雜志;2015年11期

4 司燦;張君毅;徐護朝;;藥用植物在干旱脅迫下生長代謝變化規(guī)律及應答機制的研究進展[J];中國中藥雜志;2014年13期

5 陳蔚文;徐暉;詹若挺;楊錦芬;何瑞;劉嘉煒;嚴萍;馬新業(yè);;中藥種質資源生物化學的學科探討[J];世界科學技術-中醫(yī)藥現(xiàn)代化;2014年04期

6 陳平;孟平;張勁松;何春霞;賈長榮;李建中;;兩種藥用植物生長和水分利用效率對干旱脅迫的響應[J];應用生態(tài)學報;2014年05期

7 黃子鋒;王鳳蘭;黃宇航;;干旱脅迫和復水對一品紅生理特性的影響[J];廣東農業(yè)科學;2014年05期

8 郭蘭萍;王升;張霽;楊光;趙蔓茜;馬衛(wèi)峰;張小波;李璇;韓邦興;陳乃富;黃璐琦;;生態(tài)因子對黃芩次生代謝產物及無機元素的影響及黃芩道地性分析[J];中國科學:生命科學;2014年01期

9 梁宗鎖;楊東風;楊宗岐;韓蕊蓮;劉曉蕾;;不同土壤水分對丹參葉片總酚酸類成分積累及相關酶活性的影響[J];浙江理工大學學報;2013年04期

10 張永剛;趙勝楠;李亞芹;韓梅;姜雪;;短期干旱復水對不同施水黃芩藥材質量的影響[J];吉林農業(yè)大學學報;2013年04期

本文編號：2885990