植物次生代谢产物（Secondary metabolites）是在植物生长发育过程中产生的一类非必需的小分子有机化合物,是植物在长期进化过程中为了适应环境的一种生理生化机制产物。萜类化合物（Terpenoids）又称为类异戊二烯化合物（Isoprenoids）,是植物次生代谢产物的最大类群,分布广泛、结构丰富,不仅对植物的生长发育起到关键的调节作用,还具有重要的化学防御等生态功能,同时许多植物萜类化合物还具有重要药用和经济价值。萜类化合物均以异戊烯基焦磷酸酯（IPP）及其异构体二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAPP）作为起始单元,它们在植物中的生物合成途径主要包括甲羟戊酸（MVA）途径和甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径。IPP和DMAPP在异戊烯基焦磷酸酯合酶（IDS）的催化下生成各种萜类化合物的直链前体,直链前体分别在不同萜类合酶以及氧化酶等作用下生成结构多样的萜类化合物。根据直链前体产物的碳链差异,IDS可被分为香叶基焦磷酸酯合酶（GPPS）、法尼基焦磷酸酯合酶（FPPS）、香叶基香叶基焦磷酸酯合酶（GGPPS）、香叶基法尼基焦磷酸酯合酶（GFPPS）等,它们分别能够催化合成香叶基焦磷酸酯(GPP,C10)、法尼基焦磷酸酯(FPP,C15)、香叶基香叶基焦磷酸酯(GGPP,C20)、香叶基法尼基焦磷酸酯(GFPP,C25)等。因此IDS是萜类化合物生物合成途径的关键酶,其决定了萜类化合物的种类。二倍半萜(C25)是萜类次生代谢产物中的一个重要类群,其结构新颖复杂且生物活性多样。目前分离鉴定了约1300个二倍半萜类化合物,但在植物中被发现的数量相对较少,迄今仅报道190余个,其结构新奇复杂、活性广泛,为一类珍稀次生代谢产物。植物二倍半萜大多数存在于唇形科植物中,是鼠尾草属（Salvia）、米团花属（Leucosceptrum）、火把花属（Colquhounia）、宽管花属（Eurysolen）植物的特征性化学成分,并在黄芩属（Scutellaria）植物中也有发现,其生物合成途径、起源进化和分布规律研究大多尚属空白。本实验室前期从米团花（L.canum）中鉴定了一个GFPPS,可能起源于正选择下GGPPS的复制和新功能。此外,十字花科植物中也报道了系列GFPPS,有趣的是这些GFPPS以前被鉴定为GGPPS,目前尚未从该科植物中分离到二倍半萜化合物。因此系统开展植物GFPPS的发现和功能鉴定有助于解析植物二倍半萜生物合成途径,并为揭示这类珍稀次生代谢产物的分布规律奠定基础。丹参（Salvia miltiorrhiza）和黄芩（Scutellaria baicalensis）分别为唇形科鼠尾草属和黄芩属重要药用植物,本课题拟对丹参和黄芩基因组中预测为GGPPS-like的IDS基因进行系统研究,完成其生化功能鉴定和产物特异性分析,寻找并发现GFPPS。主要研究方法和结果如下:（1）丹参中异戊烯基焦磷酸酯合酶研究:研究方法:利用生物信息学方法筛选到3个功能预测为GGPPS的候选基因Sm IDS1、Sm IDS2、Sm IDS3和1个功能预测为GPPS.LSU的候选基因Sm IDS4;分别通过体外酶活反应、β-胡萝卜素显色反应以及工程大肠杆菌体内酶促反应实验分析了这4个候选基因的生化功能;通过实时荧光定量PCR对候选基因在丹参根、茎、叶片中的表达水平进行分析。研究结果:鉴定到1个能够同时催化合成GGPP和GFPP的异戊烯基焦磷酸酯合酶Sm IDS1、1个能够催化合成GGPP的异戊烯基焦磷酸酯合酶Sm IDS2。基因Sm IDS1-4在丹参根、茎、叶片组织中均有表达,且表达水平相当,其中Sm IDS4在根组织中的表达量较茎和叶片中低。（2）黄芩中异戊烯基焦磷酸酯合酶研究:研究方法:利用生物信息学的方法筛选到4个功能预测为GGPPS的候选基因Sb IDS1、Sb IDS2、Sb IDS3、Sb IDS4;分别通过体外酶活反应、β-胡萝卜素显色反应以及工程大肠杆菌体内酶促反应实验分析4个候选基因的生化功能;通过实时荧光定量PCR分析候选基因在黄芩根、茎、叶片中的表达水平。研究结果:鉴定Sb IDS1能够催化合成GFPP,Sb IDS2和Sb IDS3能够催化合成GGPP,发现这4个候选基因在黄芩根、茎、叶片中均有表达且表达量无明显差异。以上研究结果表明Sm IDS1为双功能GFPPS/GGPPS,Sb IDS1为GFPPS,Sm IDS2、Sb IDS2和Sb IDS3为GGPPS,这为GFPPS起源进化、IDS产物链长决定机制的研究奠定了基础。其中Sm IDS1和Sb IDS1的功能鉴定表明二倍半萜可能在唇形科植物中广泛分布,为唇形科植物二倍半萜分布规律和化学多样性研究提供了参考。也为寻找丹参和黄芩中具有良好生物活性的二倍半萜奠定了基础。