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莲Nelumbo nucifera Gaertn为莲科水生植物,为我国广泛种植的药食两用资源。其多种部位如叶、叶柄、花托、花、雄蕊、果实、种子及根状茎等入药均有着悠久的历史。其中荷叶和莲子心均为收入《中国药典》的品种。莲子心在植物学上是一种高度发育的胚芽,具有分化明显的第一幼叶、第二幼叶和顶芽,和荷叶一样为真叶结构。但是二者的功效具有明显的差异,莲子心性寒,可清心安神；而荷叶性平,用于清暑化湿。药理方面也显示了莲子心可抗心律失常,而荷叶在减肥、降脂方面有明显的药理活性。以莲为例,中药不同器官功效不同,其基础应是化学成分的差异造成的,而本质是植物代谢基因调控网络的差异。因而提出科学假设,荷叶、莲子心的药效差异的本质可能是两种部位的代谢网络上相关基因的差异表达造成的。本文主要基于化学成分及其代谢网络相关基因表达两方面的关系研究荷叶和莲子心药效差异的分子机理。主要基于超高效液相色谱与串联四级杆飞行时间质谱联用的代谢组学分析平台,研究两种部位的化学成分差异,筛选出差异的成分群。并利用转录组学平台,挖掘相关成分生物合成的关键酶,通过基因的表达分析与化学成分相关性研究两种部位化学成分分化的分子机理。结果如下：基于UPLC-ESI/Q-TOF-MS/MS技术,从荷叶、莲子心中鉴定了32种化合物,其中26种为生物碱,6种为黄酮类成分。其中生物碱主要由4类苄基异喹啉生物碱(BIAs)组成,包括12种单苄异喹啉类生物碱,7种阿朴啡生物碱,5种双苄基异喹啉类生物碱以及2种原阿朴啡类生物碱。其中检测得到3种生物碱可能是新化合物,一种成分首次发现莲中。成分分析显示二者主要差异为生物碱的类型不同：荷叶中生物碱主要为阿朴啡类和单苄异喹啉类。而莲心中主要成分是双苄异喹啉类生物碱及单苄异喹啉类生物碱,即阿朴啡类和双苄异喹啉类生物碱是荷叶和莲子心的主要差异成分群。为研究基因表达对荷叶和莲子心中两类苄基异喹啉生物碱分化的影响,我们以莲的一个转录组数据,通过生物信息学分析并结合荷叶、莲子心两种部位的基因表达分析共预测了参与莲BIAs生物合成的8个基因。其中3个基因Nn60MT1、 Nn6OMT2、Nn6OMT3功能注释为norcoclaurine 6-O-methyltransferase (6OMT),1个基因NnCNMT注释为coclaurine N-methyltransferase (CNMT),上述4个基因均属甲基转移酶家族。另外4个基因被注释为P450家族的CYP80亚家族成员,其中NnCYP80Bl. NnCYP80B2注释为(S)-N-methylcoclaurine 3’-hydroxylase (CYP80B),而NnCYP80A和NnCYP80G则分别注释为berbamunine synthase (CYP80A)和corytuberine synthase(CYP80G)为了进一步验证上述预测基因,对荷叶三个发育时期及莲子心的4个发育时期进行了基因表达和化学成分差异相关性研究。结果显示,在不同发育阶段,Nn6OMT1、Nn6OMT2、Nn6OMT3、NnCYP80A和NnCYP80G等5个基因的表达与成分的积累趋势呈现一致。其中,NnCYP80A在莲子心中表达较高,可能跟莲中双苄基异喹啉生物碱的生成有关,该类生物碱由CYP80A催化2个单苄基异喹啉生物碱的C-O phenol偶联而生成。而NnCYP80G在荷叶中表达较高,可能与阿朴啡生物碱生成有关,该类生物碱主要由CYP80G的催化(S)-Reticuline的C-C偶联而生成。基因Nn60MT1、Nn6OMT2、Nn6OMT3预测为甲基化转移酶家族中60MT,主要催化(S)-Norcoclaurine骨架C-6位甲基化而生成coclaurine。研究表明60MT具有底物多样性的特点,而莲中众多BIAs结构上显示了多种骨架C-6位甲基化特点,则暗示了3种注释为60MT的同源基因可能通过甲基化,参与莲中众多类型的BIAs的生成。荷叶中2种原阿朴啡生物碱pronuciferine和glaziovine作为中间体可能参与了阿朴啡类生物碱的生物合成。从结构上看,2种生物碱可能分别为N-methylcoclaurine和armepavine通过C-C偶联生成,并进一步生成阿朴啡类生物碱nuciferine和lirinidine。莲中NnCYP80G的表达可能与原阿朴啡生物碱生物合成有关,相关酶可能通过催化异喹啉生物碱的C-8位和C-1’位的偶联而形成原阿朴啡生物碱。该类生物碱主要分布于毛茛目中,一些研究显示了其为阿朴啡类生物碱的前体,参与了部分植物阿朴啡类生物碱的生成,但是并没有相关生源途径的系统研究,莲的这一现象为相关研究提供的材料。CYP80A、CYP80B、CYP80G均属CYP80亚家族,目前发现主要存在于毛茛科和小檗科等毛茛目植物中,系统进化树显示了CYP80A和CYP80G具有较高的同源性,莲中预测的NnCYP80A、NnCYP80G亦显示了较高的同源性。这些共生同源基因作为同一亚家族,可能是由祖先基因的复制及其突变而成,基因序列上细微差异,而产生了不同的功能分化,由于不同发育阶段的差异表达,而影响了不同器官活性成分的分化。综上,荷叶和莲子心药效不同是由化学成分的差异造成,其中双苄基异喹啉类和阿朴啡类生物碱是两种部位的主要差异成分群。莲中筛选的同源基因NnCYP80A、NnCYP80在莲中表达模式的差异,暗示其功能的分化是导致成分分化的重要因素,并最终影响了药效的分化。同源基因Nn6OMT1、Nn6OMT2、 Nn6OMT3可能通过对不同BIAs底物的C-6位甲基化修饰,而在形成莲中众多类型的BIAs中发挥了重要作用。