前沿合作︱岛津GCMSMS填补甘松中倍半萜类化合物的生物合成途径研究空白

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导读

甘松（Nardostachys jatamansi DC.）是一种喜马拉雅植物（生长在海拔3,200至4,800米的高山和亚高山地区），在中国、日本、印度和其他传统地区具有悠久的药用历史。据报道，甘松的根和根茎可以治疗多种疾病，例如治疗神经和消化系统疾病、头痛、记忆丧失、精神障碍、心脏疾病等。令人惊讶的是，甘松在中国西部藏区和印度北部的宗教活动中也被广泛使用。由于需求巨大，加之种子的发芽率低和生长周期缓慢，甘松现在被国际自然保护联盟（IUCN）列为濒危物种，并被列入“濒危野生动植物种国际贸易公约（CITES）”附录。因此，寻找这种珍贵的高山多年生草本植物的替代方法是科学家的一个首要任务。

图1. 甘松植物（图片由西南民族大学/青藏高原民族药用资源保护与利用国家民委重点实验室研究团队提供）

研究成果发表在植物科学一区期刊《Frontiers in Plant Science》（IF = 6.627，2022年）

迄今为止，研究人员已经从甘松中鉴定和分离出多种具有广泛生物活性的化合物，如倍半萜类、木脂素类、生物碱类、新木脂素类和香豆素类等。在这些化合物中，倍半萜类化合物是甘松根和根茎的主要化学成分，被认为与药用目的直接相关，然而，该类化合物在甘松不同组织中的分布并不十分清楚。西南民族大学/青藏高原民族药用资源保护与利用国家民委重点实验室采用岛津气相色谱质谱联用技术分析了甘松不同组织（根、根茎 、叶、花茎和花）中的挥发性成分。相关研究成果已在植物科学一区期刊《Frontiers in Plant Science》（IF = 6.627，2022年）发表。

基于代谢组学和转录组学分析甘松中倍半萜类化合物的代谢机制

方法：结合二代和三代测序技术对甘松的根、根茎、叶、花、花茎进行转录组测序分析，化学分析通过气相色谱-质谱（GC–MS）和超高效液相色谱（UPLC）进行。

结论：我们的研究结果揭示了甘松不同组织中倍半萜类化合物的积累和生物合成的框架，为进一步研究甘松中倍半萜类化合物调节和积累的分子机制提供了有价值的支持，也有利于对高原药用植物的综合利用。

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研究成果展示

该研究首次获得了一个具有26503个Unigene的高质量全长参考转录组，共成功鉴定了65种挥发性化合物，包括50种倍半萜类化合物。它们在五种组织中的积累水平显著不同，大多数倍半萜类化合物主要分布在根和根茎中。此外，在花中检测到了五种芳香化合物，这可能有助于植物吸引昆虫授粉。对于非挥发性成分甘松新酮型倍半萜（甘松新酮、甘松香酮C和异甘松新酮），几乎只在根和根茎中检测到。通过转录组分析鉴定了与倍半萜生物合成相关的候选基因。根据功能富集和表达模式分析结果，发现与倍半萜生物合成相关的基因多数都在根和根茎中高表达，基因表达量与倍半萜在不同组织中的积累水平呈正相关。通过基因家族功能分析确定了可能参与倍半萜生物合成的28个NjTPS家族基因和43个NjCYP家族基因。此外，进一步通过基因家族功能分析和基因共表达网络对这些基因与甘松新酮型倍半萜生物合成相关机制进行了分析。

该研究中通过GCMS-TQ8050NX成功鉴定了甘松组织中65种挥发性化合物，包括50种倍半萜类化合物。其中，6种倍半萜类化合物在根和根茎中含量所占比例最大（均超过6%），如表1.

表1. 根和根茎中含量最高的6种倍半萜类化合物

在热图分析结果中，这65种挥发性化合物在不同组织中的积累水平显著不同，大多数萜类化合物主要富集在根和根茎中，如图2。甘松根和根茎所特有的萜类化合物共11种。

图2. 甘松化学成分分析图；(a)甘松根（Ro）、根茎 (Rh)、叶 (L)、花 (F)和花茎 (A)等五个组织中挥发性化合物总离子流图， (b) 甘松根（Ro）、根茎 (Rh)、叶 (L)、花 (F)和花茎(A) 等五个组织中挥发性化合物热图

此研究结果揭示了甘松不同组织中倍半萜类化合物的积累和生物合成的框架，为进一步研究甘松中倍半萜类化合物调节和积累的分子机制提供了有价值的支持，并对保护这种珍贵的高山多年生草本植物起到积极的推动作用。

专家心声

该研究负责人刘圆教授和张绍山博士表示：药用植物资源评价与利用主要目的是研究植物资源的药用价值、活性成分及其积累机制等，为药用植物资源保护及药物研发提供依据。而萜类化合物是甘松植物的主要化学组分之一，具有广泛的生物活性，如抗菌、抗炎、抗肿瘤等作用。因此，对这些化合物的分析和评价对于药用植物资源的利用和开发具有重要意义。作为非常重要的一种分析手段，气质联用分析能够快速、准确地鉴定样品中萜类化合物的化学成分。通过采集的实验数据可以看到GCMS-TQ8050 NX具有很高的灵敏度和稳定性，另外，岛津香味数据库也为甘松挥发性化合物研究提供了非常好的思路，使我们的研究更顺利地获得成果。

撰稿人：包晓明

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