Analyse af fysiologisk metabolisme og genekspressionsegenskaber hos Dioscorea nipponica som reaktion på lav fosforstress
Fosfor, som er et af de essentielle elementer for plantevækst og -udvikling, deltager i fotosyntese, energiomdannelse, signaltransduktion og regulering af enzymaktivitet, hvilket kan forbedre planternes tilpasningsevne til miljøet. Den vigtigste kilde til fosfor for planter er jord, men på grund af dårlig fosforoverførsel i jord bindes det let, hvilket resulterer i lav biotilgængelighed. Selvom tilførsel af fosforgødning kan afhjælpe manglen på tilgængeligt fosfor, er det tilbøjeligt til at kombinere med jern, aluminium, calciumioner eller jordpartikler i jorden, hvilket gør det vanskeligt for planterne at optage det. Derudover forværrer overdreven anvendelse af fosfatgødning ikke kun udtømningen af fosfatmalm, men forårsager også miljøforureningsproblemer såsom eutrofiering af de omkringliggende vandområder. Derfor haster det med at undersøge planters reaktionsmekanisme under lavfosforstress, screene og dyrke sorter, der er tolerante over for lavfosfor. Under stress med lavt fosforindhold reagerer planter på signaler om lavt fosforindhold ved at regulere fænotypiske træk og fysiologisk metabolisme for at ændre formen af fosfor og øge plantens optagelse af fosfor. Planternes rodsystem øger aktiviteten af sur fosfatase (ACP) i rhizosfærejorden ved at udskille ACP og derved opnå aktivering og udnyttelse af uopløseligt organisk fosfor i jorden. ACP er et hydrolytisk enzym, der kan hydrolysere monofosfatbindinger for at frigøre uorganisk fosfor. Generelt betragtes stigningen i ACP-aktivitet som en af de vigtigste mekanismer for planter til at reagere på lavt fosforstress. Derudover gennemgår udviklingen af planterødder og antioxidantsystemer også ændringer som reaktion på lav fosforstress.

I løbet af den lange vækst- og udviklingsproces udvikler planterne deres egen mekanisme til at modstå lavt fosforindhold. Under stress med lavt fosforindhold regulerer planterne deres fysiologiske og biokemiske processer ved at ændre en række genekspressionsniveauer for hurtigt at kunne tilpasse sig miljøer med lavt fosforindhold og forlænge deres overlevelsestid. Transkriptomsekventeringsteknologi (RNA Seq) kan studere gentranskription, lokalisering og annotation af væv under specifikke forhold og er et effektivt middel til at studere de molekylære mekanismer i plantefysiologiske processer. På nuværende tidspunkt anvendes RNA Seq i vid udstrækning til forskning i molekylære mekanismer for planters reaktion på ekstern stress, hvilket i høj grad fremmer forskningen i molekylære mekanismer for planters stressresistens. Derfor er brugen af RNA Seq til at undersøge de molekylære mekanismer for planters tolerance over for lav fosforstress af stor betydning for søgningen efter metaboliske veje, der reagerer på lav fosforstress i planter, og screening af potentielle nøglegener, der reagerer på lav fosforstress.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright er en planteart i Dioscoreaceae-familien, almindeligvis kendt som ingefær eller brandrod. Dioscorea opposita er en unik sort i Kina og den plante, der har det højeste indhold af diosgenin i verden. Dioscorea nipponica er en vigtig lægeplante til udvinding af diosgenin og også et vigtigt råmateriale til syntetisering af steroidhormonlægemidler. Derudover er Dioscorea opposita også en klinisk medicin til behandling af kardiovaskulære og cerebrovaskulære sygdomme, hvilket i høj grad fremmer udviklingen af relaterede industrier af Dioscorea opposita. Tidligere undersøgelser har vist, at langvarig dyrkning af Dioscorea nipponica kan reducere det tilgængelige fosforindhold i jorden, forårsage lav fosforstress og hindre vækst og udvikling af Dioscorea nipponica-planter, hvilket påvirker syntesen af dens steroide saponiner. På nuværende tidspunkt er der ingen rapporter om virkningerne af lav fosforstress på Dioscorea nipponicas vækst og steroide saponinmetabolisme. På baggrund af tidligere forsøgsresultater valgte denne undersøgelse derfor Dioscorea nipponica fra Nanyang i Henan-provinsen som forskningsobjekt og evaluerede de fysiologiske ændringer og metaboliske egenskaber af steroide saponinkomponenter i Dioscorea nipponica under lav fosforstress ved hjælp af uorganisk fosforindhold, rodudvikling, rhizosfærisk matrixsyrephosphatase (S-ACP) aktivitet, planteperoxidase (POD) og superoxiddismutase (SOD) aktivitet og indholdet af steroide saponinkomponenter i forskellige dele. Transkriptomsekventeringsteknologi blev brugt til at undersøge de vigtigste fysiologiske ændringer og metaboliske egenskaber ved steroide saponinkomponenter i Dioscorea nipponica under lav fosforstress. Analyse af genekspressionskarakteristika for forskellige vævsdele af Dioscorea opposita i perioden, hvilket giver et grundlag for yderligere forskning i den molekylære mekanisme for Dioscorea oppositas reaktion på lav fosforstress.

Planters vækst er et resultat af den fælles virkning af gener og miljø. Under stress med lavt fosforindhold vil planter modtage signaler om fosformangel i jorden gennem signalreceptorer i deres krop. Gennem kompleks signaltransduktion vil de igangsætte udtrykket af gener relateret til lavfosforstress i deres kroppe, regulere fysiologiske og biokemiske processer i planter og i sidste ende udvise en række morfologiske og fysiologiske biokemiske egenskaber som reaktion på lavfosforstress. Dette forsøg analyserede reaktionsegenskaberne hos forskellige dele af Dioscorea opposita under lav fosforstress og forskellige fosforkoncentrationer baseret på flere indikatorer såsom udviklingsegenskaberne hos den underjordiske del, SOD- og POD-aktiviteter i forskellige dele, S-ACP-aktivitet i rhizosfærens matrix og fosforindhold og morfologi i rhizosfærens matrix. Undersøgelsen viste, at indholdet af let anvendeligt fosfor som Al-P, Fe-P og tilgængeligt fosfor i den normale gruppe var højere end i den svære stressgruppe, især Al-P-indholdet faldt i den normale gruppe, den moderate stressgruppe og den svære stressgruppe i rækkefølge. Desuden var POD-aktiviteten i hver stressgruppe i de fem vævsdele af Dioscorea opposita generelt højere end i den normale gruppe, og aktiviteten af sur fosfatase i rhizosfærens matrix i den alvorlige stressgruppe var signifikant højere end i den normale gruppe på alle tre stadier. Dette er i overensstemmelse med den fosforhunger, som planterne gennemgår, når der er mangel på fosfor i jorden. Desuden viser forskningsresultaterne, at Dioscorea oppositas reaktion på lav fosforstress er mere tydelig i det tidlige vækst- og udviklingsstadie. I den senere fase, hvor Dioscorea opposita tilpasser sig miljøet med lav fosforstress, svækkes responsen gradvist, og responsegenskaberne har tendens til at være konsistente. Dette indikerer til en vis grad, at Dioscorea oppositas reaktion på og regulering af stress med lavt fosforindhold er en kompleks dynamisk proces.

Metabolisk regulering er en vigtig mekanisme for planter til at tilpasse sig stress med lavt fosforindhold, og steroide saponiner er de vigtigste sekundære metabolitter og aktive ingredienser i Dioscorea opposita. Resultaterne af denne undersøgelse viser, at lavfosforstress påvirker syntesen af steroide saponiner i Dioscorea opposita, og i lighed med fysiologiske egenskaber viser forskellene i steroide saponiner i forskellige dele af planten under forskellige behandlinger sig hovedsageligt i de tidlige stadier af stress. For yderligere at udforske Dioscorea oppositas respons på lav fosforstress på det genetiske niveau analyserede denne undersøgelse genekspressionsegenskaberne ved forskellige behandlinger af Dioscorea oppositas jordstængler, blade og overjordiske stængler i de tidlige stadier af stress. Det viste sig, at potentielt forskelligt udtrykte gener som reaktion på lav fosforstress hovedsageligt var involveret i biosyntesen af organiske syrer, inositol, terpenoidskeletter og flere metaboliske veje som f.eks. fosfat. Dette er i overensstemmelse med den øgede aktivitet af S-ACP i rhizosfærens matrix, involveringen af inositol i plantesignaltransduktion og stressregulering, terpenoidernes vigtige rolle i planters modstandsdygtighed over for stress, den vigtige rolle, som fosfortransportører (PHT), der koder for gener, spiller i reguleringen af plantevækst og -udvikling, rodmorfogenese og fosforbalance.
Litteraturforskning rapporterer, at diosgenin i Dioscorea opposita hovedsageligt syntetiseres i bladene, og efter glykosylering genereres der flere vandopløselige saponiner, som overføres til jordstænglerne til opbevaring, hvilket indikerer, at bladene kan være det vigtigste syntesested for saponinkomponenter, mens jordstænglerne er opbevaringsstedet. I denne undersøgelse viste de 20 bedste veje med den mest signifikante berigelse af differentielt udtrykte gener i hver behandlingsgruppe efter lav fosforstress, at vejene med den mest signifikante berigelse i bladene omfattede pentosefosfatvejen, sesquiterpener og triterpenoider og inositolbiosyntese, mens vejene med den mest signifikante berigelse i jordstænglerne var stivelse og saccharosemetabolisme, indolalkaloidbiosyntese osv. Undersøgelsen viste, at de gener, der er involveret i syntesen af steroide saponiner, er relateret til mevalonsyre (MVA), 2-methyl-D-erythritol 4-phosphat (MEP) og kolesterolbiosyntese, der er involveret i syntesen af terpenoider. Dette bekræfter yderligere, at bladene kan være det vigtigste sted for syntese af saponiner i Dioscorea nipponica. Derfor kan det verificeres ved hjælp af kvantitativ qRT PCR-teknologi med fluorescens i realtid, hvordan gener relateret til syntesen af saponiner i bladene reagerer på lav fosforstress. Ekspressionsmønstrene for forskelligt udtrykte gener, der er involveret i biosyntesen af terpenoidskeletter, organiske syrer og inositol i Dioscorea nipponica-blade under lav fosforstress, kan yderligere identificeres, karakteriseres og analyseres funktionelt for at udforske deres forhold til plantens fosforsult. Sammenhængen mellem respons og steroid saponinsyntese giver et grundlag for at studere reguleringsmekanismen for lavfosfortolerance i Dioscorea nipponica.