西洋参(Panax quinquefolius L.),又称花旗参、洋参、西洋人参,为五加科人参属多年生草本植物,原产于加拿大的大魁北克与美国的威斯康辛州等地,80年代在我国北方高纬度地区引种成功,该植物具有显著的低温依赖性,其主要生物活性成分为人参皂苷(Ginsenosides),皂苷的含量和产量是评价不同产地西洋参品质的重要指标,而皂苷的生物合成既受遗传因素的影响也受环境因素的影响。对于低温依赖性的植物,环境低温通过诱导植物表观遗传的变化调节基因的表达以适应低温环境,许多研究表明在这种环境与基因互作的过程中的DNA甲基化的改变发挥着核心作用。就西洋参而言,低温诱导的DNA甲基化的改变极有可能引起皂苷的生物合成基因表达水平的改变,这可能是低温环境引起西洋参品质差异的一个重要原因,因此,对这种机制的阐明有助于西洋参引种的生态适宜性分析及其栽培品的质量控制。为探讨低温诱导西洋参皂苷积累的机理,为西洋参的扩大种植提供理论指导,本研究进行了两项实验:一是同时采集中国不同产地(包括山东文登、北京怀柔、吉林集安、吉林抚松、黑龙江饶河、陕西汉中)的3年生西洋参,测定其皂苷(包括Rg1、Re、Rb1)的含量和产量,对其产地各种环境因子做主成分因子分析,并对其各种温度因子做多元线性回归分析;二是在冬季对西洋参越冬休眠苗施以不同的低温处理时间,然后在其出苗前后的不同发育阶段采集西洋参不同部位的样品,测定皂苷含量和产量、DNA甲基化水平以及相关基因表达水平。结果显示,西洋参皂苷的积累(含量和产量)与环境温度因素密切相关,其中西洋参皂苷的含量与冬季低温因素具有极显著相关,而西洋参皂苷的产量与夏季高低温因素具有显著相关,这说明西洋参的冬季低温经历是西洋参皂苷生物合成的必要条件,它对西洋参皂苷的积累起着决定性作用。结果还显示,西洋参的DNA甲基化水平随着季节温度的变化呈现周期性可逆的动态变化,即秋末降温引起西洋参芦头的DNA甲基化水平升高而春初升温引起西洋参芦头的DNA甲基化水平下降,在西洋参的整个苗期(由春至夏至秋)其叶片和毛根中的DNA甲基化水平呈现上升的趋势;尤其值得注意的是,唯有足够的冬季自然低温经历,西洋参春季苗期嫩叶的DNA甲基化水平才显著下降,并伴随着开花基因PqFT在开花期的高表达和皂苷合成基因PqDDS在绿果期的高表达,而且皂苷最终在其根中积累也大幅增加。因此我们认为,低温诱导的西洋参DNA甲基化的改变,既调控了皂苷合成的相关基因表达,也调控了植物生长发育进程的相关基因表达,西洋参皂苷的生物合成与其植物生长发育进程密切相关。该研究为西洋参的生态适宜区选择和栽培的质量控制提供了重要依据。