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島津GCMSMS 甘松中倍半萜類化合物的生物合成途徑研究
導(dǎo)讀
甘松（Nardostachys jatamansi DC.）是一種喜馬拉雅植物（生長在海拔3,200至4,800米的高山和亞高山地區(qū)），在中國、日本、印度和其他傳統(tǒng)地區(qū)具有悠久的藥用歷史。據(jù)報(bào)道，甘松的根和根莖可以治療多種疾病，例如治療神經(jīng)和消化系統(tǒng)疾病、頭痛、記憶喪失、精神障礙、心臟疾病等。令人驚訝的是，甘松在中國西部藏區(qū)和印度北部的宗教活動(dòng)中也被廣泛使用。由于需求巨大，加之種子的發(fā)芽率低和生長周期緩慢，甘松現(xiàn)在被國際自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）列為瀕危物種，并被列入“瀕危野生動(dòng)植物種國際貿(mào)易公約（CITES）”附錄。因此，尋找這種珍貴的高山多年生草本植物的替代方法是科學(xué)家的一個(gè)首要任務(wù)。
圖1. 甘松植物（圖片由西南民族大學(xué)/青藏高原民族藥用資源保護(hù)與利用國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提供）
研究成果發(fā)表在植物科學(xué)一區(qū)期刊《Frontiers in Plant Science》（IF = 6.627，2022年）
迄今為止，研究人員已經(jīng)從甘松中鑒定和分離出多種具有廣泛生物活性的化合物，如倍半萜類、木脂素類、生物堿類、新木脂素類和香豆素類等。在這些化合物中，倍半萜類化合物是甘松根和根莖的主要化學(xué)成分，被認(rèn)為與藥用目的直接相關(guān)，然而，該類化合物在甘松不同組織中的分布并不十分清楚。西南民族大學(xué)/青藏高原民族藥用資源保護(hù)與利用國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用島津氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了甘松不同組織（根、根莖 、葉、花莖和花）中的揮發(fā)性成分。相關(guān)研究成果已在植物科學(xué)一區(qū)期刊《Frontiers in Plant Science》（IF = 6.627，2022年）發(fā)表。
基于代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析甘松中倍半萜類化合物的代謝機(jī)制
方法：結(jié)合二代和三代測序技術(shù)對(duì)甘松的根、根莖、葉、花、花莖進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，化學(xué)分析通過氣相色譜-質(zhì)譜（GC–MS）和超高效液相色譜（UPLC）進(jìn)行。
結(jié)論：我們的研究結(jié)果揭示了甘松不同組織中倍半萜類化合物的積累和生物合成的框架，為進(jìn)一步研究甘松中倍半萜類化合物調(diào)節(jié)和積累的分子機(jī)制提供了有價(jià)值的支持，也有利于對(duì)高原藥用植物的綜合利用。
島津助力
l 三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀GCMS-TQ8050 NX + AOC-6000自動(dòng)進(jìn)樣器
l 島津香味數(shù)據(jù)庫Smart Aroma Database
Ø 香味數(shù)據(jù)庫中包含超過500種氣味化合物，無需目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)品，即可創(chuàng)建超過500種氣味化合物的泛靶向篩查方法；
Ø 與傳統(tǒng)的質(zhì)譜圖相似度檢索定性相比較，Smart Aroma Database利用保留時(shí)間、質(zhì)量色譜圖、質(zhì)譜圖3種信息更準(zhǔn)確、更高效地檢測氣味化合物；
Ø 數(shù)據(jù)庫中內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)曲線，可獲得氣味化合物半定量結(jié)果，基于含量而非峰面積的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，更有利于判斷關(guān)鍵化合物；
Ø 香味數(shù)據(jù)庫篩查，結(jié)合商業(yè)譜庫檢索功能定性，靈活應(yīng)對(duì)氣味分析應(yīng)用需求。
研究成果展示
該研究首次獲得了一個(gè)具有26503個(gè)Unigene的高質(zhì)量全長參考轉(zhuǎn)錄組，共成功鑒定了65種揮發(fā)性化合物，包括50種倍半萜類化合物。它們在五種組織中的積累水平顯著不同，大多數(shù)倍半萜類化合物主要分布在根和根莖中。此外，在花中檢測到了五種芳香化合物，這可能有助于植物吸引昆蟲授粉。對(duì)于非揮發(fā)性成分甘松新酮型倍半萜（甘松新酮、甘松香酮C和異甘松新酮），幾乎只在根和根莖中檢測到。通過轉(zhuǎn)錄組分析鑒定了與倍半萜生物合成相關(guān)的候選基因。根據(jù)功能富集和表達(dá)模式分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與倍半萜生物合成相關(guān)的基因多數(shù)都在根和根莖中高表達(dá)，基因表達(dá)量與倍半萜在不同組織中的積累水平呈正相關(guān)。通過基因家族功能分析確定了可能參與倍半萜生物合成的28個(gè)NjTPS家族基因和43個(gè)NjCYP家族基因。此外，進(jìn)一步通過基因家族功能分析和基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些基因與甘松新酮型倍半萜生物合成相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了分析。
該研究中通過GCMS-TQ8050NX成功鑒定了甘松組織中65種揮發(fā)性化合物，包括50種倍半萜類化合物。其中，6種倍半萜類化合物在根和根莖中含量所占比例最大（均超過6%），如表1.
表1. 根和根莖中含量最高的6種倍半萜類化合物
在熱圖分析結(jié)果中，這65種揮發(fā)性化合物在不同組織中的積累水平顯著不同，大多數(shù)萜類化合物主要富集在根和根莖中，如圖2。甘松根和根莖所特有的萜類化合物共11種。
圖2. 甘松化學(xué)成分分析圖；(a)甘松根（Ro）、根莖 (Rh)、葉 (L)、花 (F)和花莖 (A)等五個(gè)組織中揮發(fā)性化合物總離子流圖， (b) 甘松根（Ro）、根莖 (Rh)、葉 (L)、花 (F)和花莖(A) 等五個(gè)組織中揮發(fā)性化合物熱圖
此研究結(jié)果揭示了甘松不同組織中倍半萜類化合物的積累和生物合成的框架，為進(jìn)一步研究甘松中倍半萜類化合物調(diào)節(jié)和積累的分子機(jī)制提供了有價(jià)值的支持，并對(duì)保護(hù)這種珍貴的高山多年生草本植物起到積極的推動(dòng)作用。
專家心聲
該研究負(fù)責(zé)人劉圓教授和張紹山博士表示：藥用植物資源評(píng)價(jià)與利用主要目的是研究植物資源的藥用價(jià)值、活性成分及其積累機(jī)制等，為藥用植物資源保護(hù)及藥物研發(fā)提供依據(jù)。而萜類化合物是甘松植物的主要化學(xué)組分之一，具有廣泛的生物活性，如抗菌、抗炎、抗腫瘤等作用。因此，對(duì)這些化合物的分析和評(píng)價(jià)對(duì)于藥用植物資源的利用和開發(fā)具有重要意義。作為非常重要的一種分析手段，氣質(zhì)聯(lián)用分析能夠快速、準(zhǔn)確地鑒定樣品中萜類化合物的化學(xué)成分。通過采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到GCMS-TQ8050 NX具有很高的靈敏度和穩(wěn)定性，另外，島津香味數(shù)據(jù)庫也為甘松揮發(fā)性化合物研究提供了非常好的思路，使我們的研究更順利地獲得成果。
撰稿人：包曉明
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