主题：【分享】【金秋计划】暗紫贝母中甾体生物碱的组织特异性积累的分子机制

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发表于：2024/09/10 11:26:31 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

川贝母（Fritillaria unibracteata）是一种濒危药用植物，其鳞茎作为中药已有数百年历史，用于治疗咳嗽、哮喘和痰多。甾体生物碱是通过甾体合成途径合成的重要生物活性成分。然而，由于缺乏川贝母的基因组信息，关于甾体生物碱生物合成相关基因的研究较少。
药用植物的鳞茎作为传统药物已有数百年的历史（Kamenetsky 等，2015；Bisht 等，2016；Yang 等，2021a），其含有多种生物活性代谢物，如甾体皂苷、黄酮类、生物碱和有机硫化物（Tarakemeh 等，2019；Wu 等，2020）。根据《中国植物志》，在中国分布的二十二种贝母物种因其鳞茎中富含多种具有药理活性的植物化学成分而闻名（Zhang 等，2021）。川贝母（Fritillaria unibracteata Hsiao et K.C. Hsia）鳞茎在《2020版中国药典》中被列为川贝母，长期用于治疗咳嗽、哮喘和化痰（Li 等，2019；Yang 等，2021a）。自从川贝母在春秋时期（公元前770年-221年）首次被引入以来（Zhang 等，2021），其野生种群由于在亚洲国家的高经济价值，经历了长期过度采集，导致野生资源急剧下降（Jiang 等，2022）。这种脆弱性因其物种仅限于中国横断山脉海拔3000–4200米的有限地理分布而进一步加剧（Jiang 等，2022）。高山环境通过干旱、盐分、低温和紫外线等非生物胁迫强烈控制植物群落（Qin 等，2022）。虽然已鉴定出多种成分，如萜类、甾体皂苷、糖苷和苯丙烷类，但甾体生物碱（如西贝母碱（C27H43O3N）、贝母辛（C27H43O3N）和贝母碱（C27H41O3N））是川贝母中最大的生物活性成分类别（Li 等，2019；Wang 等，2022），这些成分也被官方认为是川贝母的质量标志物（Wang 等，2022）。贝母物种中的甾体生物碱与川贝母的治疗效果密切相关。例如，西贝母碱具有镇咳、祛痰和抗炎作用（Wang 等，2012a）。贝母辛和贝母碱能减轻由多种药物引起的肺损伤（Du 等，2020；Guo 等，2013；Liu 等，2022a）。尽管甾体生物碱广泛分布于多种贝母物种中，但植物中甾体生物碱的含量相对较低，难以满足市场的巨大需求。我们目前对川贝母各组织的代谢分析表明，甾体生物碱在鳞茎中高度分布，而在花、茎和叶组织中仅少量分布。因此，我们希望通过比较鳞茎和其他组织中候选基因的表达差异，筛选出参与生物碱合成的关键基因。组学技术已被广泛用于理解代谢物生物合成的功能特征和分子机制（Deng 等，2018；Kotajima 等，2023；Song 等，2015）。对于百合科植物，通过转录组和/或代谢组分析，已提出了几种可能的甾体生物碱生物合成途径（Duan 等，2022；Kumar 等，2021；Sharma 等，2021；Zhao 等，2018），但其作用仍不明确。特别是通过比较转录组分析，发现18种酶编码基因，包括6种位于胞质甲羟戊酸（MVA）途径的酶，在F. roylei的鳞茎组织中表现出比茎和叶组织更显著的富集（Sharma 等，2021）。同时，F. roylei体外培养物中甾体生物碱sipeimine的相对较高积累与MVA途径中基因的高表达呈正相关（Kumar 等，2021）。然而，Duan 等（2022）通过转录组和代谢组分析，鉴定了参与peiminine、peimine和hupehenine生物合成的6种酶编码基因，包括来自MVA途径的羟甲基戊二酸单酰辅酶A合酶（HMGS）和来自质体甲基赤藓糖醇（MEP）途径的1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶（DXR）。另一方面，Eshaghi 等（2019）鉴定了一个编码鲨烯合酶（SQS）的基因，它可能是F. imperial中甾体生物碱生物合成的关键酶之一。因此，植物甾体生物碱生物合成的调控在不同物种中表现出多样性，强调了阐明不同植物物种中甾体生物碱合成的意义。迄今为止，人们对川贝母中甾体生物碱的生物合成知之甚少，尚无相应基因的功能特征研究。在本研究中，首先使用准靶向代谢组学探讨了川贝母不同组织的代谢差异。随后，进行了川贝母不同组织的比较转录组分析，以揭示与川贝母甾体生物碱合成相关的候选关键基因的表达差异。为了验证转录组的准确性，我们对编码磷酸甲羟戊酸激酶（FuPMK）的基因进行了初步功能验证。此外，通路富集和蛋白质-蛋白质互作网络分析揭示了MVA途径、CYPs、转录因子和ABC转运蛋白在甾体生物碱生物合成调控中起着重要作用。因此，本研究丰富了川贝母的基因组信息，并为改善甾体生物碱的生物合成和加快川贝母的保护提供了宝贵的见解。

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