黄芩(Scutellaria baicalensis Georgi)为唇形科黄芩属药用植物,根入药。主要分布于我国东北、华北、西北等地。但不同产地黄芩由于生态环境不同导致药材质量差异很大,严重影响了黄芩药材原料及其产品质量的稳定性。本课题组前期研究发现,水分是影响黄芩药材质量形成的主要限制性生态因子,适度干旱胁迫可促进黄芩药效成分积累。因此,本研究在此基础上,从植物生理与分子生态学的角度,系统开展黄芩苷对干旱胁迫响应规律研究,探讨黄芩药材质量形成的分子生态机制,对提升黄芩精细化栽培技术、实现药材质量调控具有重要的理论意义和应用价值。本研究首先探索长期干旱胁迫对黄芩苷的影响,并在此基础上,分别对黄芩苷积累的关键时期进行短期干旱胁迫和短期干旱胁迫及复水研究,寻找干旱胁迫对黄芩苷积累的作用规律,并利用高通量组学的方法研究黄芩对干旱胁迫响应的转录调控机制,同时与光合生理、抗性生理研究相结合,揭示黄芩苷积累对干旱胁迫响应的分子生理生态机制,旨在为推进黄芩药材质量生态调控提供科学依据和技术支撑。主要研究结果如下:1.利用Design expert 8.05b软件Box-Behnken法对单因素下微波辅助提取黄芩药效成分进行响应面优化分析,得到最佳的提取条件:提取时间3.3 min,提取温度79.40℃,液料比32.60 mL/g,乙醇浓度66.30%。在该条件下,黄芩药效成分得率为19.79%,与软件预测得率差异较小,此方法为研究黄芩次生代谢产物合成机理奠定基础。2.通过人工模拟降雨对一、二年生盆栽黄芩长期干旱胁迫研究表明,重度干旱胁迫显著抑制黄芩根生长,而轻度干旱胁迫对黄芩根生长无显著影响。长期干旱胁迫对黄芩苷含量影响较小,但均可提高黄芩素含量。二年生黄芩在6月和9月黄芩苷含量出现双高峰,并且对干旱胁迫有明显的应答规律,该时期可能为黄芩次生代谢受水分调控的关键时期。此外,黄芩苷对干旱胁迫的响应规律具有短时性,可能是黄芩苷对干旱响应的次生代谢补偿机制。3.以二年生营养期和生殖期黄芩为研究材料,分别进行短期渐进性干旱胁迫和短期干旱胁迫及复水研究,结果表明:黄芩苷含量受干旱胁迫调控作用明显,轻、中度干旱胁迫阶段黄芩苷显著积累,重度干旱胁迫抑制了黄芩苷的合成,复水后,黄芩苷合成受抑制作用减弱。但干旱胁迫严重抑制营养期黄芩根生长。因此,生殖生长期可作为黄芩水分调控的潜在最佳时期。4.通过对黄芩光合生理、抗性生理与黄芩苷相关性分析表明,干旱胁迫前期黄芩Pn、Gs和Tr受影响较小,随着干旱胁迫时间延长,实际光化学效率ΦPSII降低,光合作用减弱,MDA开始大量积累,细胞膜受损,黄芩激活抗氧化酶系统,SOD、POD和CAT活性增强,渗透调节物Pro、SS和SP含量增加,此时黄芩苷和黄芩素含量均显著增加。但是在重度干旱胁迫下,Pn、Gs和Tr受抑制显著,同时非光化学猝灭系数NPQ显著增加,MDA含量持续升高,SOD、POD和CAT活性明显受到抑制,渗透调节物质SP含量降低,此时,黄芩苷含量降低,而黄芩素含量升高,表现出明显的黄芩苷与黄芩素代谢转化对干旱胁迫响应的补偿调节。5.通过对干旱胁迫黄芩次生代谢合成途径关键酶PAL、C4H、4CL和CHS活性研究表明:四种关键酶对黄芩苷合成发挥重要作用,其中与黄芩素相比,黄芩苷积累受合成途径关键酶影响较大。短期、轻中度干旱胁迫能够不同程度增强PAL、C4H、4CL和CHS酶活性,促进黄芩苷积累。长期、重度干旱胁迫会抑制4种酶的活性,黄芩苷合成受抑制。PAL和CHS对长期干旱胁迫黄芩苷调控作用明显;而C4H、CHS和PAL分别对营养期、生殖期黄芩苷调控作用明显。6.以18SrRNA为内参基因,构建sbPAL、sbC4H、sb4CL、sbCHS、sbCHI、sbFNS、sbUBGAT和sbGUS等8个黄芩苷合成途径关键酶基因对干旱胁迫表达时序图谱结果表明:干旱胁迫对关键酶的基因表达影响显著。总体表现为,短期干旱胁迫可促进关键酶基因表达,重度干旱胁迫会抑制基因表达,但对不同基因影响程度不同。其中,sbFNS对长期干旱胁迫黄芩苷调控作用明显;sbCHS和sbPAL基因表达模式分别与二年生营养期、生殖期黄芩药效成分积累模式相近,受干旱胁迫影响表达量变化显著,在黄芩苷合成过程中发挥重要作用,可作为黄芩质量调控重要候选基因。7.利用Illmina 4000测序平台对对照、轻度、中度和重度干旱胁迫黄芩根进行转录组测序分析:共获得93.59 GB数据,拼接注释得到57307个unigenes。有大量差异表达基因被富集到碳代谢、植物激素信号转导、苯丙烷代谢。包括大量活性氧清除基因、渗透调节物质合成基因,研究还发现,MYB(c49842.graph_c0)和WRKY(c59576.graph_c2)可能对干旱胁迫下黄芩苷积累具有重要的调控作用。综上,短期干旱胁迫可作为提高黄芩药材质量的有效手段,为精细化栽培提供技术参考。然而黄芩苷生物合成与积累并非受单一因子决定,而是光合、激素、酶活、基因表达等多因素共同作用的结果。后续研究将着重开展干旱胁迫下信号转导、转录调控与黄芩苷次生代谢途径之间的关系,阐明转录调控因子对关键酶基因表达的调控机理。
【学位单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S567.239
【部分图文】：
pathway of up-stream phenylpropane metabolism. (II) Acrial parts metabolic pathway of flavones. (III) The special metabolicpathway of baicalin in root.图.1 黄芩中黄酮类化合物合成途径Fig.1 Proposed pathways for flavones synthesis in Scutellaria baicalensis Georgi.
本研究技术路线图
图 4.1 RNA-seq 建库流程Fig.4.1 Flowchart of RNA-seq据组装y 软件[241]将 clean reads 拼接成 Unigene，其原理为首先这些小片段（K-mer）延伸为较长重叠片段（Contig），长的序列即为 Unigene，而不同 Contig 之间的重叠片段采用 De Bruijn 方法和 Claen reads 序列信息识别转录本 功能注释42]软件将 Trinity 拼接所形成的 Unigene 与 NR[243]、GOCOG[247]、eggNOG[248]、KEGG[249]和 TAIR 等数据库进氨基酸序列，利用 HMMER[250]与 Pfam[251]数据库进行比，NR 为 NCBI 中非冗余蛋白数据库；Swiss-Pro 为 EB蛋白数据库；COG（Clusters of Orthologous Group-直系
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 张春荣;桑雪雨;渠萌;唐晓敏;程轩轩;潘利明;杨全;;基于转录组测序揭示适度干旱胁迫对甘草根基因表达的调控[J];中国中药杂志;2015年24期
2 张坚;张博;周文贵;尹飞;马琳;李兴林;;干旱胁迫对桔梗生长特性、生理特性及总皂苷成分积累的影响[J];天津中医药;2015年11期
3 王尧龙;黄璐琦;袁媛;查良平;;药用植物转录组研究进展[J];中国中药杂志;2015年11期
4 司灿;张君毅;徐护朝;;药用植物在干旱胁迫下生长代谢变化规律及应答机制的研究进展[J];中国中药杂志;2014年13期
5 陈蔚文;徐晖;詹若挺;杨锦芬;何瑞;刘嘉炜;严萍;马新业;;中药种质资源生物化学的学科探讨[J];世界科学技术-中医药现代化;2014年04期
6 陈平;孟平;张劲松;何春霞;贾长荣;李建中;;两种药用植物生长和水分利用效率对干旱胁迫的响应[J];应用生态学报;2014年05期
7 黄子锋;王凤兰;黄宇航;;干旱胁迫和复水对一品红生理特性的影响[J];广东农业科学;2014年05期
8 郭兰萍;王升;张霁;杨光;赵蔓茜;马卫峰;张小波;李璇;韩邦兴;陈乃富;黄璐琦;;生态因子对黄芩次生代谢产物及无机元素的影响及黄芩道地性分析[J];中国科学:生命科学;2014年01期
9 梁宗锁;杨东风;杨宗岐;韩蕊莲;刘晓蕾;;不同土壤水分对丹参叶片总酚酸类成分积累及相关酶活性的影响[J];浙江理工大学学报;2013年04期
10 张永刚;赵胜楠;李亚芹;韩梅;姜雪;;短期干旱复水对不同施水黄芩药材质量的影响[J];吉林农业大学学报;2013年04期
本文编号：
2885990
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nzwlw/2885990.html
