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题名: 米团花和紫茎泽兰的次生代谢产物及其生态学功能研究 
作者: 骆世洪
学位类别: 博士
答辩日期: 2011
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 黎胜红
关键词: 米团花 ; 紫茎泽兰 ; 腺毛 ; 有色花蜜 ; 化学防御 ; 二倍半萜 ; 萜类次生 ; 代谢产物 ; 拒食活性 ; 抗菌活性。
中文摘要: 植物在长期的与其它物种相互作用的进化过程中产生了大量高度变化并具有多种重要生态学功能的次生代谢产物,用来适应自然的选择,从而得以生存和繁荣。因此植物次生代谢产物及其生态学功能正受到越来越多的关注,为当今国际研究前沿和热点。本论文共由三章组成。第一章详细论述了唇形科植物米团花(Leucosceptrum canum Smith)的次生代谢产物及其生态学功能研究。首次发现唇形科大型木本植物米团花的腺毛能合成和贮存一类新奇骨架的二倍半萜化合物,且证明了此类二倍半萜化合物与该植物的防御相关。此外利用各种分离材料和技术以及现代波谱学方法从米团花的叶和花中还分离和鉴定了一系列(54 个)具有类似骨架的新颖结构二倍半萜化合物,它们中大多数具有较强的昆虫拒食活性。本章还对米团花有色花蜜的次生代谢产物及其生态学功能进行了研究,分离得到了花蜜中的主要色素物质,并发现该色素物质能够吸引传粉鸟类,还发现另外一个花蜜中的次生代谢产物具有抗微生物的活性。第二章详细论述了菊科入侵植物紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum Spreng)的次生代谢产物及其防御功能研究。发现该植物中的主要次生代谢产物单萜和倍半萜(尤其是Cadinene 型)化合物为紫茎泽兰的诱导防御物质,并且发现Cadinene 型倍半萜也是冠毛中的化学防御物质,还从紫茎泽兰的虫瘿中发现了一个新的防御性对映-克罗烷二萜。该研究在一定程度上揭示了紫茎泽兰的化学防御机制。第三章综述了近十年来萜类化合物的防御功能研究进展。第一章 米团花的次生代谢产物及其生态学功能研究大多数陆地植物的地上部分表面都覆盖着腺毛,这些腺毛通常能合成丰富的次生代谢产物,具有各种各样的化学结构和广泛的生理活性。这些次生代谢产物或者被腺毛分泌到植物表面,或者贮存于腺腔中,普遍认为是植物用来防御植食性昆虫的取食,然而一直缺乏好的证据。米团花(L. canum)为唇形科植物中罕见的大型木本植物,最高可达十余米,其叶、花等部位富含密集的腺毛和非腺毛。本研究发现,米团花的腺毛能够合成和贮存一类新奇骨架的二倍半萜化合物Leucosceptroids A(1)和B(2),利用NMR 和X-ray 等方法证实了它们的结构,通过生物活性测试发现该类化合物对植食性昆虫具有较强的拒食活性,并对植物病原菌有明显的抑制活性。定量分析发现该类化合物在米团花的叶片和腺毛中的含量与它们的拒食中浓度相当或更高,足以阻止植食性昆虫对该植物叶片的取食,表明二倍半萜化合物在该植物中具有重要的防御病虫害的功能。该研究首次从植物中发现此类新奇骨架的二倍半萜化合物,首次发现植物腺毛能合成和贮存二倍半萜化合物,首次发现二倍半萜化合物与植物的防御功能相关。对米团花的叶和花中次生代谢产物进行了更为系统深入的研究,共鉴定了88 个化合物(3-90),包括新化合物62 个,其中54 个(3-56)为具有新奇骨架的二倍半萜和降二倍半萜化合物,其它化合物的类型涉及倍半萜、二萜、三萜、酚类等。对具有不同侧链的代表性二倍半萜化合物进行了昆虫拒食活性研究,发现所测试的化合物大多数对棉铃虫都具有较强的拒食活性,活性基本上在同一数量级,推测这些二倍半萜化合物也为该植物的防御提供了帮助。花蜜是植物和访花者相互作用的桥梁,含有丰富的营养物质,为传粉者提供“报酬”,但同时也是微生物入侵植物的理想场所,及盗蜜者盗食花蜜的主要原因。花蜜中还含有丰富的次生代谢产物,与保护花蜜短时间内新鲜不受微生物污染、过滤传粉者以及阻止盗蜜者有密切的关系。绝大多数花蜜都是无色透明的,但目前报道约有70种植物的花蜜是有颜色的。有色花蜜其颜色主要是由于含有不同的次生代谢产物所导致,对这些特殊的次生代谢产物的化学及其生态学意义的研究还很缺乏。米团花为唇形科中目前发现的唯一一种有色花蜜植物,具有深棕色花蜜。通过对不同产地花蜜HPLC分析发现,米团花花蜜中导致其颜色的次生代谢产物主要为一个化合物。通过反复分离纯化,最终得到了该化合物91,鉴定为一个具有新颖结构的色素类化合物(待发表)。对米团花传粉鸟暗绿绣眼鸟(Zosterops japonicus)的行为实验研究发现,不管是选择频率还是取食量,花蜜都显著高于蜜糖和水,表明暗绿绣眼鸟偏好取食米团花花蜜。在化合物91和水之间选择时,暗绿绣眼鸟选择取食化合物91的频率也明显要高。当把容器外表涂成化合物91的颜色时,暗绿绣眼鸟的这种偏好会被严重干扰。由此推测植物分泌大量该化合物于花蜜中主要应该是作为颜色信号吸引其传粉鸟类。对花蜜中其它次生代谢产物也进行了分离鉴定,共得到7个已知的酚类化合物(92-98)。抗菌活性测试发现, 其中化合物2-(3,4-Dihydroxyphenyl)-ethyl-O-α-L-rhamnopyranosyl-(1→)-4-O-E-caffeoyl-β-D-glucopyranoside(98)对植物病原真菌芒果炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides)和香蕉炭疽病菌(C. musae)有一定的抑制活性,由此表明米团花花蜜中确实存在防御微生物的活性物质,推测它们为保持花蜜一定时间内的新鲜提供了帮助。第二章 紫茎泽兰的次生代谢产物及其防御功能研究外来入侵植物紫茎泽兰(E. adenophorum)是我国面临的重大生态灾害物种之一。该植物之所以难以彻底防治,除了因为它本身具有强大的繁殖力、旺盛的生命力和广泛的生态适应性外,还与其成功的化学防御机制有着密切的关系。紫茎泽兰含有丰富的次生代谢产物,特别是萜类化合物和酚类化合物,它们可能都是该植物潜在的防御物质,但一直以来没有研究报道。本研究采用顶空收集法对紫茎泽兰对照组和机械损伤、链格孢菌(Alternariaalternata)侵染和棉铃虫(Helicoverpa armigera)取食三种不同诱导方式的处理组植株的挥发性次生代谢产物(VOCs)进行了收集及GC-MS 分析。发现未被诱导的正常紫茎泽兰植株释放的VOCs 较少,主要为庚烷、2-庚酮、2-辛酮、壬醛、α-柏木烯、正十六烷、正十七烷和正十八烷等。而三种诱导方式处理紫茎泽兰叶片后,植物释放出大量的VOCs。对其中26 个化合物进行了初步的鉴定,发现它们主要为倍半萜类和单萜类化合物,这些单萜和倍半萜类化合物对甜菜夜蛾(Spodoptera exigua)和棉铃虫具有较强的拒食活性,表明它们为紫茎泽兰叶片的诱导型防御成分。本研究还采用HPLC 方法对紫茎泽兰对照组和机械损伤、链格孢菌侵染和棉铃虫取食三种不同诱导方式的处理组植株的非挥发性次生代谢产物进行了分析,发现叶中的4 个Cadinene 型倍半萜化合物与对照组相比含量都有明显升高。这4个化合物分别为: 9-oxo-10,11-Dehydroageraphorone ( 1 ) ,2,7-deoxo-3,4,6,11-Tetradehydrocadinanene ( 2 ), 9-oxo-Ageraphorone ( 3 ) 和9β-Hydroxy-ageraphorone(4)。活性测试发现,这4 个倍半萜对棉铃虫和甜菜夜蛾都具有较强的拒食活性(EC50 = 0.011-0.024 μmol/cm2),表明这些化合物都可能参与了该植物的化学防御。本研究还对紫茎泽兰虫瘿、冠毛及花中的次生代谢产物分别进行了研究。从虫瘿中鉴定了6 个化合物(5-10),其中一个新的对映-克罗烷二萜化合物5 对棉铃虫具有较强的拒食活性(拒食中浓度EC50 = 0.036 μmol/cm2)。该化合物在5、20、40 μg/disc 下,能够抑制泽兰实蝇的羽化,但各浓度之间羽化率并无明显差异。此外该化合物还对植物病原真菌芒果炭疽病菌和香蕉炭疽病菌具有明显抑制活性,由此推测该化合物可能为虫瘿被泽兰实蝇寄生后产生的诱导性防御次生代谢产物之一。冠毛可以帮助种子利用风力传播更远的距离,此外其针状结构还可以抵御其它动物取食,为种子提供物理防御。但冠毛中的次生代谢产物很少见报道,它们是否为种子提供化学防御尚不清楚。我们通过研究发现,在棉铃虫饲料中加入1.5%(w/w)的紫茎泽兰冠毛可以明显抑制棉铃虫的生长,进一步对冠毛中的化合物进行了分离和鉴定,发现其中主要含三个化合物(11-13),且活性追踪发现其中的倍半萜化合物2-deoxo-2-Acetyloxy-9-oxoageraphorone(13)对棉铃虫显示出较强的拒食活性(EC50 = 0.016 μmol/cm2),由此表明紫茎泽兰冠毛为种子提供物理防御的同时,也起到了化学防御的功能。此外,从紫茎泽兰的花中鉴定了9 个化合物(16-24),包括2 个新的对映-克罗烷二萜化合物16 和17。第三章 萜类化合物的防御功能研究进展本章以萜类化合物结构类型分类,综述了2000~2011 年间报道的516 个对动物、微生物和植物具有防御功能的萜类化合物。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/16931
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骆世洪.米团花和紫茎泽兰的次生代谢产物及其生态学功能研究 .[博士 学位论文 ].中国科学院研究生院 .2011
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