截干幼化促进银杏叶片类黄酮积累的研究

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银杏(Ginkgo biloba L.),裸子植物,银杏科的孑遗树种,是重要的观赏和经济树种。银杏叶提取物(GbE)是治疗心血管类等疾病常用药物的主要原料,其中最具药用效果的有效成份为银杏黄酮类与萜内酯类化合物。银杏叶片中有效成分积累与树龄相关,通常幼树实生苗叶片中黄酮和萜内酯类化合物的含量较高,而大树叶片中含量较低。本研究通过对5年生银杏苗分别进行距地10 cm、35 cm、60 cm、85 cm、110 cm高度的截干处理,发现叶片可发生幼化,叶片内有效成分积累显著升高,但相关原因却不清楚。通过细胞生物学、生理学、分子生物学和生物信息学等实验技术对银杏截干叶片进行了研究,主要取得以下结果:(1)形态学观察发现,不同高度截干处理后,单叶的面积大幅增加,约为对照的2-2.5倍,叶片厚度增加,为对照组的1.4-1.6倍。此外,处理组叶片的叶裂加深,可深达近基部,叶裂数量增至5-6个。但叶柄变短,增粗明显,叶柄维管束和输导组织发达。这些结果显示截干处理后的银杏叶片呈现出明显的幼化特征。(2)生理指标测定结果显示,银杏叶片发育过程的5个时期中,截干处理组前期(S1)叶绿素SPAD值小于对照组,生长中后期(S2-S5)迅速增加并高于对照组,且在S5时期截干组SPAD值继续上升,而对照却呈现下降趋势。Fv/Fm组间差异较小,但S5时期截干组Fv/Fm值继续呈上升趋势,而对照组则呈下降趋势。超微结构观察显示,S4时期与对照组相比,截干组叶片叶绿体分布广,数量多。至S5时期,对照组叶片细胞器开始降解,叶绿体形态扭曲、细胞膜变薄、噬锇滴增多、淀粉粒积累。而截干组叶片细胞内的细胞器丰富,叶绿体完整。上述研究结果说明S5时期银杏叶片光合能力开始下降,叶绿体开始降解,叶片进入衰老期,但截干组叶片生长依然良好,延迟进入衰老期。(3)对采收期(S5时期)银杏叶片黄酮醇苷和萜内酯含量的测定发现,除60 cm处理组外,其余4组叶片的总黄酮醇苷显著提高,为对照的1.17-1.20倍,其中槲皮素含量升高明显,为对照组的1.18-1.63倍。截干组总萜内酯含量也呈显著增加的趋势,尤其截干85 cm和110 cm处理组,增幅达到32%-34%,其中银杏内酯A和银杏内酯B含量分别为对照的1.16-1.33倍和1.76-1.89倍,银杏内酯C和白果内酯在截干85 cm和110 cm组中含量明显增加。表明截干处理可有效增加银杏叶片类黄酮和萜内酯的积累。(4)进一步通过靶向代谢组学检测叶片,筛选得到66个差异代谢物,大部分为黄酮类化合物,其中黄酮10种、黄酮醇13种、黄烷酮和儿茶素及其衍生物各4种、花青素5种。除此之外较多的物质为有机酸、脂质甘油磷脂、氨基酸、核苷酸等。KEGG通路主要富集在次生代谢产物生物合成、类黄酮生物合成以及黄酮和黄酮醇的生物合成等代谢通路。类黄酮物质中,除了樱花素等5种黄酮类化合物呈下调趋势外,其余物质全部呈上调表达趋势,表明截干后叶片内的大部分类黄酮物质含量显著提高。(5)苯丙素及类黄酮合成途径相关差异基因分析结果显示,23个差异基因富集到苯丙素生物合成途径,除Gb-25040(COMT)和Gb-31013(PER53)表达下调外,其余均上调表达。10个差异基因富集到类黄酮生物合成途径,均呈显著上升表达,尤其截干组中Gb 19002(CHS犯的表达量为对照的2.76倍。2个苯丙素和5个类黄酮合成相关的差异基因荧光定量验证均在截干组中上调表达,说明截干组中黄酮类化合物合成的增加,主要与类黄酮合成路径的CHS、F3’H、FLS、DFR等基因的上调表达有关。(6)类黄酮生物合成的关键基因与相关代谢产物关联分析结果显示,Gb 19002(CHS)关联的代谢物最多,此外Gb19800(F3’H)、Gb26459(DFR)、Gb187(CCOOAOMT)、Gb21870(ANS)等基因也有较好的关联度。在关联的代谢物中,除了李属异黄酮等3种类黄酮呈现负相关,其余的28种差异代谢物均为正相关表达。根据KEGG富集分析差异基因发现,编码类黄酮合成的关键酶在截干组叶片中均呈上升表达趋势。代谢组检测发现,在类黄酮合成通路中重要的差异代谢物例如芹菜素、木犀草素7-O-葡萄糖苷、儿茶素、表儿茶素和二氢山奈酚的相对含量显著上升,这与通路中的差异基因上升的表达趋势一致。(7)激素含量测定结果显示,S1和S3时期截干组叶片中IAA含量均显著高于对照。而S1时期处理组ABA含量较低,仅为对照的51.45%。玉米素核苷(ZR)S1时期截干组低于对照组,但S2和S3时期ZR含量迅速增加并高于对照。GA3含量三个S1、S3、S5时期均高于对照处理组。这些结果显示截干处理组叶片幼化很可能与激素代谢水平相关,尤其赤霉素在叶片整个发育过程均呈上升趋势,因而可能参与调控了叶片幼化。(8)对赤霉素代谢过程进行分析,截干组银杏叶片大多数GA水平呈上升趋势,如GA3、GA15和和 GA20均有较高表达。进一步对GA信号通路的关键基因DELLA蛋白的表达量进行测定,截干组中Gb25388和Gb08892在S1、S3、S5时期的荧光定量验证,均显著低于对照组,表明截干组中DELLA蛋白的表达受到了抑制。这些结果说明赤霉素代谢水平的变化可能参与了调控叶片幼化,但赤霉素如何调控银杏叶片幼化以及促进类黄酮积累的分子机制仍需进一步深入研究。
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