药用植物丹参和灵芝的空间代谢组及多组学关联分析研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

药用植物丹参和灵芝的空间代谢组及多组学关联分析研究认领

作者：

夏杰

学位授予单位：

浙江理工大学

摘要：

药用植物中的天然产物是创新药物、食品、香料等领域的重要来源。合成生物学的发展使得天然产物可以通过底盘细胞代谢途径的重构而获得,这种获得方法将成为未来天然产物绿色合成生产的趋势。生物合成途径的解析是合成生物学技术制备天然产物的基础,植物次生代谢产物在植物体内分布、合成及代谢调控过程的阐释,有利于植物次生代谢产物生物合成途径中关键酶的挖掘。单一的组学手段难以阐明植物组织中复杂的代谢特征,而现代常用的植物代谢分析手段,如High Performance Liquid Chromatography(HPLC)、Liquid Chromatograph Mass Spectrometer(LC-MS)等,在进行代谢样品前处理时,会引起次生代谢物空间分布特征丢失,难以发现次生代谢物特征空间信息。这些局限制约了药用植物代谢机制、内源性物质生物合成和调控机理等研究领域的发展。因此,开发出能够在植物不同组织中挖掘差异代谢物分布特点的新方法,实现功能代谢物特征的识别、定位和注释,对药用植物次生代谢物质生物合成途径阐释及调控机制研究具有重要意义。本论文运用植物生理切片、组织化学染色和质谱成像(Mass Spectrometry Imaging,MSI)技术,探究药用植物不同组织的物理表型特征及活性分子的原位空间信息。然后结合超高效液相色谱-质谱联用(Ultra Performance Liquid Chromatography Mass Spectrometer,UPLC-MS)和化学计量学分析方法,确定药用植物中的化学轮廓特点。最后综合代谢组、转录组、蛋白组等多组学技术及生物信息分析方法,从药用植物的代谢特征、基因和蛋白表达谱、信号分子调控机制等多个角度,全面解析药用植物生物合成和分子调控机制。本论文主要研究内容和结果如下: 1、电喷雾解吸附质谱成像(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging,DESI-MSI)结合多组学技术初步探索丹参和大叶鼠尾草中萜类化合物生物合成的空间分布和分子机制丹参(Salvia miltiorrhiza)和大叶鼠尾草(Salvia grandifolia W.W.Smith)是唇形科鼠尾草属植物,富含丰富的二萜类化合物,对心血管疾病有良好的治疗作用。前期研究发现丹参酮类成分主要分布在丹参根周皮部位,但是大叶鼠尾草根周皮、木质部、韧皮部也显示为类似丹参酮类的“砖红色”,疑似含有丰富的二萜类成分分布。为了进一步揭示丹参和大叶鼠尾草中二萜类成分及其分布差异,通过代谢组学、转录组学和解吸电喷雾电离质谱成像技术(DESI-MSI)结合初步探索了两个物种中萜类化合物的代谢产物空间分布和潜在的生物合成分子机制。丹参中二萜类成分主要以具有呋喃或二氢呋喃环D结构特征的松香烷型二萜醌成分存在,主要分布在根周皮部位,为丹参酮类生物合成途径的终端产物,如二氢丹参酮I,隐丹参酮,丹参酮IIA。大叶鼠尾草中二萜类成份以三环酚类松香烷型二萜和稀有的七元环萜类成分为主,这些成分除了周皮,韧皮、木质部中也有大量分布,部分为丹参酮生物合成的前体物质,如11-Hydroxy-sugiol,11,20-dihydroxy-sugiol and 11,20-dihydroxy-ferruginoll;另一部分可能为潜在的新颖的二萜类生物合成途径产物,如grandifolia B、7α-Acetoxyroyleanone、salvinon。另外,大叶鼠尾草叶中也富含11-Hydroxy-sugiol等丹参酮生物合成的前体物质,而丹参叶中以酚酸类成分为主。转录组结果进一步揭示了CPS1、KAL1、CYP76AH1、CYP76AK1、CYP76AK5和TIIAS等基因在丹参根部周皮中表达较高,而在根部木质部、韧皮部以及叶片中表达较低,这可能是丹参酮成分主要分布在根部周皮区域的一个重要原因。丹参酮成分生物合成上游途径基因在大叶鼠尾草根部表达较高,而下游途径基因在丹参根部表达较高,这可能是两个物种之间二萜成分积累不同的重要原因。在此,我们描述了两种鼠尾草中二萜类化合物的具体组织分布和空间分布特点,为进一步研究以植物为底盘的合成生物学中二萜类化合物的生物合成酶的发现和验证提供了科学依据。 2、利用多组学对大叶鼠尾草茎的组织特异性研究确定其二萜和酚酸生物合成调控机制大叶鼠尾草(S.grandifolia)与传统中药丹参同属,其化学成分与丹参相似,前期基于DESI-MSI结合多组学技术对大叶鼠尾草全草的萜类化合物生物合成的空间分布和分子机制进行了初步探索,揭示了大叶鼠尾草全草整体化学成分轮廓和活性成分的组织分布差异,但次生代谢物组织特异性累积的调控机制并不清楚。本研究利用代谢组学、转录组学和蛋白组学等手段对大叶鼠尾草不同部位(周皮、韧皮部和木质部)进行多组学研究。代谢组构建了大叶鼠尾草各组织中明确的化学成分轮廓,初步确定了负离子和正离子模式下的74种代谢物,次生代谢产物主要为酚酸类、丹参酮类、黄酮类、羧酸和萜类成分。与韧皮部和木质部比较发现,大叶鼠尾草周皮中明显聚集大量的丹参酮类四环二萜、三环二萜和酚酸类成分类成分。而在大叶鼠尾草的韧皮部和木质部含有少量的酚酸、三环二萜和C环为七元环的三环二萜类成分,丹参酮类二萜菲醌类成分几乎没有。转录组和蛋白组提供了二萜和酚酸通路中各基因和蛋白的表达情况,蛋白的表达情况与代谢物的分布基本一致,进一步验证了代谢组的结果。在丹参酮合成途径下游,Sm CPS1、Sm CPS4、Sm CPS5、Sm KSL1、Sm KSL2、Sm KSL5、Sm KSL7主要在大叶鼠尾草周皮和韧皮部累积,Sm CPS7、Sm KSL3在木质部大量表达,而相应催化的蛋白在周皮、韧皮部和木质部均有分布。催化丹参酮合成的CYPs基因在大叶鼠尾草周皮和韧皮部大量表达,如CYP76AH1、CYP76AH3、CYP71D373、CYP71D375和Sm TⅡAS,但蛋白却在周皮部位大量积累。在丹酚酸合成途径下游,Sm RAS、CYP98A14、Sm LAC主要在大叶鼠尾草周皮和木质部累积,而相应蛋白均在周皮高积累。大叶鼠尾草茎组织的代谢组学、转录组学和蛋白质组学分析的整合为揭示药用植物中活性化合物(如丹参酮类和丹酚酸类)的组织特异性积累机制提供了深入探究的科学依据,我们的发现可能有助于阐明丹参酮和丹酚酸在丹参及同属植物中生物合成的调控机制,并加速选育活性成分高积累的药用植物。 3、DESI-MSI结合代谢组学揭示灵芝不同生长期子实体化学成分的空间分布灵芝(Ganoderma lucidum)是药食同源真菌,具有重要的经济和药用价值。目前,灵芝主要代谢产物如灵芝酸等,在灵芝子实体中的空间分布尚不清楚,灵芝在生长发育期代谢产物的变化目前也少有研究。本研究采用解吸电喷雾电离质谱成像技术(DESI-MSI)结合非靶向代谢组学分析,研究了不同生育期灵芝子实体的化学成分空间分布。利用非靶向代谢组学共表征到灵芝中142个化合物,其中119种三萜类成分,11种脂肪酸类成分。例如,在成熟阶段,灵芝酸A、C1、H、F和B分别占总三萜的11.9%、7.5%、5.0%、4.7%和4.1%,(10E,12Z)-9-hydroxy-10,12-octadecadienoic acid、8,11,12-trihydroxy-9-octadecenoic acid和9-KODE分别占总脂肪酸的41.1%、13.9%和9.3%。菌盖中的大部分灵芝酸含量显著高于菌柄,其中灵芝酸B等六个成分极显著,菌盖中灵芝酸主要存在于菌管下层,菌柄中灵芝酸主要分布在皮壳层和菌肉层。随着灵芝的发育,菌柄和菌盖中的大部分灵芝酸成分含量都是逐渐降低的,现蕾期菌柄中的灵芝酸主要分布于皮壳层,随着灵芝逐渐成熟,在菌肉层也有分布。另外,脂肪酸主要累积于开伞期和成熟期菌盖的菌盖中,如Linoleic acid、9-HODE、9-KODE。质谱成像联合非靶代谢组的分析方法为药食用真菌子实体中活性物质的空间分布提供了强有力的工具,本研究进一步明确了灵芝酸在灵芝子实体中的空间动态分布,为灵芝药用部位的合理利用提供依据。

摘要译文

关键词：

质谱成像; 代谢组; 转录组; 蛋白组; 药用植物

学位年度：

2023

学位类型：

硕士

学科专业：

材料与化工（化学工程）（专业学位）

导师：

张晓丹

中图分类号：

O657.63[质谱分析⑨];S567.31;S567.53

学科分类号：

070302[分析化学];081704[应用化学];081706[分子化工]

D O I：

10.27786/d.cnki.gzjlg.2023.001898