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菊叶薯蓣(Dioscorea composita)是多年生藤状草本雌雄异株植物,其皂素含量高、淀粉含量高、产量高、抗性强,是提取皂素的主要原料,也是制备生物乙醇的优良原料,经济价值和综合利用价值高,因此菊叶薯蓣是理想的药用与能源非粮植物。薯蓣皂素是广泛存在于薯蓣属植物中的次级代谢产物,具有防止病原菌侵害、抵抗外界不良环境的功能。在医药工业上,薯蓣皂素为生产甾体激素类药物的重要原料,在心脑血管疾病、皮肤病、肿瘤等疾病的治疗上具有突出疗效。薯蓣皂素又称薯蓣皂苷元,是薯蓣皂苷的糖苷配基,显微观察表明,在皂苷含量低的1月龄菊叶薯蓣块茎中,其主要分布在厚壁组织和维管束周围细胞中;在皂苷含量高的18月龄块茎中,其主要分布在周皮组织和维管束周围细胞中。经测定,菊叶薯蓣雄株块茎中的皂苷元含量均值比雌株高10.89%,是我国薯蓣皂素主要原料盾叶薯蓣(Dioscoreazingberensis)的1.63倍。为丰富菊叶薯蓣的基因信息,揭示薯蓣皂苷元的合成代谢途径,本论文采用Illumina Hiseq 2000测序平台,对18月龄雌、雄株菊叶薯蓣进行了转录组测序和分析,获得了62,341条Unigenes。将Unigenes分别与Nr、Nt、SwissProt、KOG、GO、Pfam、KEGG数据库进行比对,共计获得28,047条具有功能注释的Unigenes。通过GO、KOG和KEGG PATHWAY分类统计,分别将其归属到代谢途径、翻译途径和信号转导途径的Unigenes最多。比较各Unigene在雌雄株中的表达量,结果显示较低丰度表达的Unigenes较多,占总数的37~42%;高表达丰度的Unigenes所占比例小。雌雄株间具有显著表达差异的Unigenes 8,049个,其中在雌株中表达量较高的有4,232个,在雄株中表达量较高的有3,817个。对显著差异表达基因分别进行了GO和KEGG分类,结果表明雌株在碳水化合物合成、基因复制和微丝骨架调节方面比雄株代谢更快,而雄株在次级代谢产物合成、光合作用、氨基酸和蛋白质合成、核糖体合成等方面比雌株更有优势。在具有功能注释的Unignenes中,与薯蓣皂苷元合成有关的Unigenes有79个,编码35种酶。菊叶薯蓣皂苷元的生物合成途径包含皂苷元骨架、氧化鲨烯和甾体皂苷元三个合成阶段,分别有47、2和30个Unigenes参与。皂苷元合成起始物为乙酰辅酶A,在23种酶的催化下,经过17步反应后生成二磷酸法呢醇,其中的限速步骤是由HMGR(羟甲基戊二酰辅酶A还原酶)催化的甲羟戊酸;在氧化鲨烯合成阶段,二磷酸法呢醇在2种酶的催化下合成2,3-氧化鲨烯;甾体皂苷元合成阶段主要产生薯蓣皂苷元前体物环阿屯醇,并在细胞色素P450、异构酶、环化酶等多种酶的作用下生成薯蓣皂苷元,该过程约有10类酶参与,其中的关键步骤是CAS(环阿屯醇合酶)催化的氧化鲨烯环化反应。HMGR和CAS是薯蓣皂苷元合成的两个关键酶,经比对分析,菊叶薯蓣HMGR和CAS都具备相应的结构域和活性中心的保守氨基酸。菊叶薯蓣HMGR含有较多的α-螺旋结构,由4个相同的亚基组成,定位在内质网,为亲水性蛋白;CAS也含有较多的α-螺旋结构,跨膜螺旋结构位于羧基端,定位在细胞质膜,为亲脂性蛋白。由79个Unigenes在雌雄株中的表达可知,其中23个Unigenes在雄株中的表达量较高,3个Unigenes在雌株中的表达量较高,与雄株薯蓣皂苷元含量高的测定结果相符,表明雄株中薯蓣皂苷元的合成代谢比雌株更旺盛。。根据序列完整度、相似度等信息,筛选了10个相关基因(HMGR、MK、SQLE、FPPS、DXS、CAS、HMED、CYP51、DHCR7、DHCR24)比较其在块茎、茎、叶和幼苗中的表达量,发现这10个Unigenes在各组织中均有表达,在块茎、叶中的表达量比茎和幼苗都高,表明薯蓣皂苷元的合成主要发生在植株的块茎中;位于甲羟戊酸途径的Unigene表达量比位于丙酮酸途径的要高,表明甲羟戊酸途径是菊叶薯蓣皂苷元生物合成的主要通路;在幼苗中的表达量低,表明在幼苗期次级代谢不旺盛。同时,经过比较分析,HMGR、CAS、SQS、SMT14个基因在菊叶薯蓣块茎中的表达量分别是盾叶薯蓣块茎的159.05、2.03、3.44、8.89倍。本论文通过转录组测序,获得了部分与菊叶薯蓣皂苷元合成有关的基因信息,预测了其生物合成途径,并采用生物信息学方法分析了皂苷元合成关键酶的定位、结构和功能,为深入分析有关基因的功能、明确皂苷元合成途径、调控皂苷元合成代谢、提高活性成分含量和综合开发利用菊叶薯蓣奠定了基础。