基于“个性化多维整合文库”深度挖掘和精准解析甘草三萜皂苷类成分生物合成相关糖基转移酶

Licorice, having the efficacy of nourishing spleen, treating cough, relieving pain, ease the efficacy of drugs, was originally contained in "Shen Nong's Materia Medica" and widely used in clinic. Triterpenoid saponins are important components of licorice and also an important class of natural sweetener, which makes them have important research significance and broad application prospects. Glycosyltransferases (UGTs) are kinds of superfamily enzymes that must be involved in the biosynthesis of saponins. However, because UGTs have several members and their functions are diverse, it is difficult to clone and identify UGTs. Applicants successfully obtained the first novel UGT involved in triterpenoid saponin biosynthesis from licorice through the approach of RNA-seq at the doctoral stage. In this study, based on the "personalized unique attributes" of the UGT family, the applicant proposed a new research strategy of "personalized multidimensional integrated library" to continue digging and identifying UGTs related to biosynthesis of triterpenoid saponins in licorice. This study not only provides a new idea for the study of UGTs, but also will lay an important foundation for the research of synthetic biology of triterpenoid saponins, structural modification of important active ingredients and molecular breeding of licorice.

甘草始载于《神农本草经》，具有补脾益气、祛痰止咳、清热解毒、缓急止痛、缓和药性的功效，临床使用广泛，素有“十方九草”之说。三萜皂苷类成分是甘草中重要的药效成分，同时也是一类重要的天然甜味剂，具有重要的研究意义和广阔的应用前景。糖基转移酶（UGT）是皂苷类成分生物合成过程中必须参与的一类超家族酶，然而，由于UGT成员众多、功能多样，难以克隆和验证功能。申请人在博士阶段曾通过转录组测序的方法成功从甘草中获得了首个参与三萜皂苷生物合成并且具有全新功能的UGT。本研究中，申请人拟以UGT家族的“个性化特有属性”为基础，提出“个性化多维整合文库”的新型研究策略，继续深度挖掘和精准解析甘草三萜皂苷类成分生物合成相关的糖基转移酶。本研究不仅能为UGT的挖掘与功能研究提供新的思路，同时也将为三萜皂苷类成分的合成生物学研究、重要活性成分的结构修饰研究以及甘草的分子育种奠定重要的基础。

甘草是一味重要的大宗药材，被广泛地应用于医药、食品和化妆品等领域。三萜皂苷类成分是甘草中重要的药效成分，糖基转移酶（UGT）是皂苷类成分生物合成过程中必须参与的一类超家族酶，对化合物的生物活性及生物利用度有着重要影响。.为探究甘草三萜皂苷类成分积累规律，本项目首先基于UPLC-LTQ-Orbitrap MS高分辨质谱平台，运用非靶向代谢组学手段对甘草样品中的化合物信息进行高通量分析，共鉴定得到1518个单峰，靶向代谢组学精确鉴定44个化合物，类靶向代谢组学精确鉴定甘草成分在微生物酶催化体系作用下的共1435种化合物，包括424种重要的天然产物和96萜类，并发现了不同化合物类型积累模式的规律性。.为挖掘甘草三萜皂苷类成分生物合成相关UGT，本项目运用新颖诱导子刺激诱导甘草三萜类生物合成相关基因的表达，获得的转录组数据注释后得到600多个UGT相关转录本信息。通过多重手段筛选，发现了17个UGT可能参与甘草三萜类成分的生物合成，成功克隆10个UGT基因并运用原核表达系统成功验证了2个具有重要生物活性的UGT。.本项目探索不同诱导子对甘草成分的影响，新发现了新颖的稀土元素和纳米颗粒可用于提高甘草三萜类的生物合成量。另外，基于UPLC-LTQ-Orbitrap MS高分辨质谱平台和三重四极杆-线性离子阱复合的SCIEX QTRAP® 6500+质谱联合多反应监测模式等代谢组学手段将甘草及相关产品相关化合物鉴定能力提高至上千种，完成了质的飞跃。此外，本项目运用特异诱导子，结合深度转录组测序技术和代谢组学技术，并结合多重筛选方法，为UGT等修饰酶的挖掘和功能研究提供了良好的方法。这些成果将为甘草次生代谢产物生物合成途径的解析、甘草育种、甘草及相关产品的质量控制奠定重要基础。

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