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“药用植物资源与分子生物学”实验室在国际期刊发表系列研究论文

来源:   作者:     日期:2021-11-24   点击数:  

川芎为四川省著名道地中药材,其药效成分(阿魏酸)的含量较高。前期研究中,项目组利用高通量测序对阿魏酸生物合成的相关酶基因开展了筛选工作,从中获得了川芎咖啡酸-O-甲基转移酶的编码基因,并首次发现其重组蛋白(LcCOMT)不仅能够催化咖啡酸合成阿魏酸,还能够更高效地转化咖啡酸甲酯形成阿魏酸甲酯(后者亦是重要的医药与化妆原料),从而建立了一种利用酶法高效合成阿魏酸甲酯的新方法(已授权国家发明专利,授权号:ZL201910261291.2)。为了阐明LcCOMT的选择性催化机制,项目组利用X-射线晶体衍射方法解析了LcCOMT/SAMLcCOMT/SAH的三维晶体结构,分辨率分别为1.8Å1.9Å(图1。分析结构并结合定点突变等技术,发现LcCOMT的底物选择性主要来源于四个方面:一是酶活性中心的整体疏水环境,从而更好容纳疏水性较强的底物分子;二是酶的活性中心与底物苯环中的4-OH形成的氢键,从而固定住苯环部分;三是活性中心在容纳底物尾部丙烯基处形成了1个疏水空穴(C9 Pocket),从而固定住丙烯基;是酶的异亮氨酸318与甲硫氨酸319残基形成了疏水通道(Channel),从而锁住了底物的立体方位。同时,还发现了当异亮氨酸318残基突变为苏氨酸后,合成阿魏酸甲酯的效率增加到120%该成果以Structure basis of the caffeic acid O-methyltransferase from Ligusiticum chuanxiong to understand its selective mechanism为题发表于国际期刊《International Journal of Biological Macromolecule》,IF 6.953。宋思敏、陈安琪、朱健全、严子成与安秋菊参加研究工作,周嘉裕、廖海与余雅梅为共同通讯作者。

图1 LcCOMT的三维晶体结构。左图为三维整体框架;右图为活性中心结构。


川贝母是另一种川产道地中药材,具有极高的经济与药用价值,其基原植物包括暗紫贝母等6种贝母属植物。然而,川贝母生长十分缓慢,对生长环境需求严格,野生品种采挖严重,人工种植难度高且规模小,植物资源日渐枯竭,现已成为四川、陕西、青海与西藏省级重点保护植物,由此,川贝母药用植物资源保护和可持续利用逐渐成为全球关注和亟待解决的问题。项目组利用人工智能技术对暗紫贝母、卷叶贝母、甘肃贝母等开展适生区分析,结果发现年降水与海拔是影响川贝母分布与生长的主效生态因子,当前适生区主要集中在四川、青海、西藏等地区,并且预测在未来环境模式下川贝母会逐渐向高纬度与高海拔迁移。同时研究还发现,以上3种川贝母基原植物存在最高的生态位重叠,并计算出3种川贝母的专属性适生区,这为将来川贝母种植区划提供了重要的技术支撑(图2)。该成果以Modeling of the potential geographical distribution of three Fritillaria species under climate change为题发表于国际学术期刊《Frontiers in Plant Science》 IF 5.753。蒋端平、邹萌、秦余、黄思沛、谭国栋与全慧鸽参加研究工作,周嘉裕与廖海为共同通讯作者。

图2 三种川贝母的专属性适生区


由于川贝母野生资源匮乏,导致市场上出现了较多混伪品,严重影响用药安全。项目组对暗紫贝母、卷叶贝母、甘肃贝母与中华贝母等4种贝母属植物进行叶绿体基因组测序和分析(图3)。识别出包括串联重复、散在重复等片段重复,约130个简单重复(SSRs)及一些变异热区,并且构建系统发育树解析现有贝母属植物分类研究中的一些争议的问题,同时利用获得的潜在分子标记,初步建立了利用Taqman-MGB技术用于暗紫贝母、卷叶贝母与太白贝母等的分子鉴定方法。以上研究结果将提高人们对贝母属植物叶绿体基因组特征及其进化的认识,并为川贝母种质资源研究及川贝母的快速分子鉴定奠定基础。该成果以Identification of evolutionary relationships and DNA markers in the medicinally important genus Fritillaria based on chloroplast genomics为题发表于国际学术期刊《PeerJ》IF 2.984。张田、黄思沛、宋思敏、邹萌与王威威参加研究工作,周嘉裕与廖海为共同通讯作者。

以上研究得到国家基金项目(31500276,31741027)、四川省重点研发项目(2018SZ0061,2021ZHFP0170)、四川省中医药管理局项目(2021MS116)、中央高校基础研究项目(2682021ZTPY017)的联合资助。

图3 贝母属植物的叶绿体基因组