Analyse des physiologischen Stoffwechsels und der Genexpression von Dioscorea nipponica als Reaktion auf geringen Phosphorstress
Als eines der wesentlichen Elemente für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen ist Phosphor an der Photosynthese, der Energieumwandlung, der Signaltransduktion und der Regulierung der Enzymaktivität beteiligt, was die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an die Umwelt verbessern kann. Die Hauptphosphorquelle für Pflanzen ist der Boden, aber aufgrund des schlechten Phosphortransfers im Boden wird er leicht gebunden, was zu einer geringen Bioverfügbarkeit führt. Die Ausbringung von Phosphordünger kann zwar den Mangel an verfügbarem Phosphor beheben, doch neigt er dazu, sich mit Eisen-, Aluminium- und Kalziumionen oder Bodenpartikeln im Boden zu verbinden, was seine Aufnahme durch die Pflanzen erschwert. Darüber hinaus verschärft die übermäßige Ausbringung von Phosphatdünger nicht nur die Erschöpfung der Phosphaterzvorkommen, sondern verursacht auch Umweltverschmutzungsprobleme wie die Eutrophierung der umliegenden Gewässer. Daher ist es dringend erforderlich, die Reaktionsmechanismen von Pflanzen bei geringem Phosphorstress zu untersuchen und phosphortolerante Sorten zu screenen und anzubauen. Bei niedrigem Phosphorstress reagieren Pflanzen auf phosphorarme Signale, indem sie phänotypische Merkmale und den physiologischen Stoffwechsel regulieren, um die Form des Phosphors zu verändern und die Phosphoraufnahme der Pflanze zu erhöhen. Das pflanzliche Wurzelsystem erhöht die Aktivität der sauren Phosphatase (ACP) in der Rhizosphäre des Bodens, indem es ACP ausscheidet und so die Aktivierung und Verwertung von unlöslichem organischem Phosphor im Boden erreicht. ACP ist ein hydrolytisches Enzym, das Monophosphatbindungen hydrolysieren kann, um anorganischen Phosphor freizusetzen. Im Allgemeinen wird die Zunahme der ACP-Aktivität als einer der wichtigsten Mechanismen angesehen, mit denen Pflanzen auf einen geringen Phosphorstress reagieren. Auch die Entwicklung von Pflanzenwurzeln und Antioxidationssystemen verändert sich als Reaktion auf Phosphorstress.

Während des langen Wachstums- und Entwicklungsprozesses entwickeln Pflanzen ihre eigenen Mechanismen, um sich gegen einen niedrigen Phosphorgehalt zu wappnen. Bei niedrigem Phosphorstress regulieren die Pflanzen ihre physiologischen und biochemischen Prozesse, indem sie eine Reihe von Genexpressionsniveaus verändern, um sich schnell an eine phosphorarme Umgebung anzupassen und ihre Überlebenszeit zu verlängern. Die Transkriptom-Sequenzierungstechnologie (RNA Seq) kann die Gentranskription, die Lokalisierung und die Annotation von Geweben unter bestimmten Bedingungen untersuchen und ist ein wirksames Mittel zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der physiologischen Prozesse von Pflanzen. Gegenwärtig wird RNA Seq in großem Umfang für die Erforschung der molekularen Mechanismen der Reaktion von Pflanzen auf externen Stress eingesetzt, was den Fortschritt in der Erforschung der molekularen Mechanismen der Stressresistenz von Pflanzen erheblich fördert. Daher ist die Verwendung von RNA Seq zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der Toleranz von Pflanzen gegenüber niedrigem Phosphorstress von großer Bedeutung für die Suche nach Stoffwechselwegen, die auf niedrigen Phosphorstress in Pflanzen reagieren, und für das Screening potenzieller Schlüsselgene, die auf niedrigen Phosphorstress reagieren.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright ist eine Pflanzenart aus der Familie der Dioscoreaceae, die gemeinhin als Ingwer oder Feuerwurzel bekannt ist. Dioscorea opposita ist eine einzigartige Sorte in China und die Pflanze mit dem weltweit höchsten Gehalt an Diosgenin. Dioscorea nipponica ist eine wichtige Heilpflanze zur Gewinnung von Diosgenin und auch ein wichtiger Rohstoff für die Synthese von Steroidhormonen. Darüber hinaus ist Dioscorea opposita auch ein klinisches Medikament zur Behandlung von Herz-Kreislauf- und zerebrovaskulären Erkrankungen, was die Entwicklung der mit Dioscorea opposita verbundenen Industriezweige stark fördert. Frühere Studien haben ergeben, dass ein langfristiger Anbau von Dioscorea nipponica den verfügbaren Phosphorgehalt im Boden verringern kann, was zu geringem Phosphorstress führt und das Wachstum und die Entwicklung der Dioscorea nipponica-Pflanzen behindert und die Synthese ihrer steroidalen Saponine beeinträchtigt. Bisher gibt es keine Berichte über die Auswirkungen von niedrigem Phosphorstress auf das Wachstum und den Steroidsaponin-Stoffwechsel von Dioscorea nipponica. Daher wurde in dieser Studie Dioscorea nipponica aus Nanyang in der Provinz Henan als Forschungsobjekt ausgewählt und die physiologischen Veränderungen und metabolischen Eigenschaften der steroidalen Saponin-Komponenten in Dioscorea nipponica unter niedrigem Phosphorstress anhand des anorganischen Phosphor-Gehalts bewertet, Wurzelentwicklung, Aktivität der sauren Phosphatase der Rhizosphärenmatrix (S-ACP), Aktivität der Pflanzenperoxidase (POD) und Superoxiddismutase (SOD) sowie der Gehalt an steroidalen Saponinkomponenten in verschiedenen Teilen. Die Transkriptom-Sequenzierungstechnologie wurde eingesetzt, um die wichtigsten physiologischen Veränderungen und metabolischen Eigenschaften der steroidalen Saponin-Komponenten in Dioscorea nipponica unter niedrigem Phosphorstress zu untersuchen. Analyse der Genexpressionsmerkmale verschiedener Gewebeteile von Dioscorea opposita während des Zeitraums, was eine Grundlage für die weitere Erforschung des molekularen Mechanismus der Reaktion von Dioscorea opposita auf geringen Phosphorstress darstellt.

Das Wachstum von Pflanzen ist das Ergebnis des Zusammenwirkens von Genen und Umwelt. Bei niedrigem Phosphorstress erhalten die Pflanzen über Signalrezeptoren in ihrem Körper Signale über den Phosphormangel im Boden. Über eine komplexe Signaltransduktion initiieren sie die Expression von Genen in ihrem Körper, die mit dem Phosphormangel in Zusammenhang stehen, regulieren physiologische und biochemische Prozesse in den Pflanzen und zeigen schließlich eine Reihe von morphologischen und physiologischen biochemischen Merkmalen als Reaktion auf den Phosphormangel. In diesem Versuch wurden die Reaktionsmerkmale verschiedener Teile von Dioscorea opposita unter niedrigem Phosphorstress und unterschiedlichen Phosphorkonzentrationen anhand mehrerer Indikatoren wie den Entwicklungsmerkmalen des unterirdischen Teils, den SOD- und POD-Aktivitäten in verschiedenen Teilen, der S-ACP-Aktivität in der Rhizosphärenmatrix sowie dem Phosphorgehalt und der Morphologie in der Rhizosphärenmatrix analysiert. Die Studie zeigte, dass der Gehalt an leicht verwertbarem Phosphor wie Al-P, Fe-P und verfügbarem Phosphor in der normalen Gruppe höher war als in der Gruppe mit schwerem Stress, insbesondere der Al-P-Gehalt nahm in der normalen Gruppe, der Gruppe mit mäßigem Stress und der Gruppe mit schwerem Stress nacheinander ab. Darüber hinaus war die POD-Aktivität jeder Stressgruppe in den fünf Gewebeteilen von Dioscorea opposita im Allgemeinen höher als die der normalen Gruppe, und die Aktivität der sauren Phosphatase in der Rhizosphärenmatrix der schweren Stressgruppe war in allen drei Stadien deutlich höher als die der normalen Gruppe. Dies steht im Einklang mit der Phosphor-Hunger-Reaktion, die Pflanzen bei Phosphormangel im Boden erfahren. Darüber hinaus zeigen die Forschungsergebnisse, dass die Reaktion von Dioscorea opposita auf geringen Phosphorstress in der frühen Wachstums- und Entwicklungsphase deutlicher ist. In der späteren Phase, in der sich Dioscorea opposita an die phosphorarme Stressumgebung anpasst, schwächt sich die Reaktion allmählich ab, und die Reaktionsmerkmale sind tendenziell einheitlich. Dies deutet in gewisser Weise darauf hin, dass die Reaktion und Regulierung von Dioscorea opposita auf geringen Phosphorstress ein komplexer dynamischer Prozess ist.

Die Regulierung des Stoffwechsels ist ein wichtiger Mechanismus für Pflanzen, um sich an einen geringen Phosphorstress anzupassen, und steroidale Saponine sind die wichtigsten Sekundärmetaboliten und Wirkstoffe von Dioscorea opposita. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass niedriger Phosphorstress die Synthese von Steroidsaponinen in Dioscorea opposita beeinflusst. Ähnlich wie bei den physiologischen Merkmalen manifestieren sich die Unterschiede bei den Steroidsaponinen in den verschiedenen Teilen der Pflanze bei unterschiedlichen Behandlungen hauptsächlich in den frühen Stressphasen. Um die Reaktionsmerkmale von Dioscorea opposita auf geringen Phosphorstress auf genetischer Ebene weiter zu erforschen, wurden in dieser Studie die Genexpressionsmerkmale verschiedener Behandlungen von Dioscorea opposita-Rhizomen, Blättern und oberirdischen Stängeln in den frühen Stressstadien analysiert. Es wurde festgestellt, dass potenziell unterschiedlich exprimierte Gene als Reaktion auf geringen Phosphorstress hauptsächlich an der Biosynthese von organischen Säuren, Inositol, Terpenoid-Skeletten und mehreren Stoffwechselwegen wie Phosphat beteiligt sind. Dies steht im Einklang mit der verstärkten Aktivität von S-ACP in der Rhizosphärenmatrix, der Beteiligung von Inositol an der pflanzlichen Signaltransduktion und Stressregulierung, der wichtigen Rolle von Terpenoiden bei der pflanzlichen Stressresistenz und der wichtigen Rolle von Genen, die für Phosphattransporter (PHT) kodieren, bei der Regulierung des Pflanzenwachstums und der Entwicklung, der Wurzelmorphogenese und des Phosphorhaushalts.
Literaturrecherchen zufolge wird das Diosgenin in Dioscorea opposita hauptsächlich in den Blättern synthetisiert, und nach der Glykosylierung werden mehr wasserlösliche Saponine gebildet und zur Lagerung in die Rhizome verlagert, was darauf hindeutet, dass die Blätter der Hauptort für die Synthese der Saponinbestandteile sein könnten, während die Rhizome der Ort der Lagerung sind. In dieser Studie zeigten die 20 wichtigsten Stoffwechselwege mit der signifikantesten Anreicherung unterschiedlich exprimierter Gene in jeder Behandlungsgruppe nach niedrigem Phosphorstress, dass zu den Stoffwechselwegen mit der signifikantesten Anreicherung in den Blättern der Pentosephosphat-Stoffwechselweg, Sesquiterpene und Triterpene sowie die Inosit-Biosynthese gehörten, während die Stoffwechselwege mit der signifikantesten Anreicherung in den Rhizomen der Stärke- und Saccharose-Stoffwechsel, die Indolalkaloid-Biosynthese usw. waren. Die Studie ergab, dass die Gene, die an der Synthese von Steroidsaponinen beteiligt sind, mit dem Mevalonsäure (MVA)-Stoffwechselweg, dem 2-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphat (MEP)-Stoffwechselweg und dem Cholesterin-Biosyntheseweg, der an der Synthese von Terpenoiden beteiligt ist, in Verbindung stehen. Dies bestätigt, dass die Blätter der Hauptstandort für die Synthese von Saponinen in Dioscorea nipponica sein könnten. Daher kann mit Hilfe der quantitativen Echtzeit-Fluoreszenz-qRT-PCR-Technologie überprüft werden, wie Gene, die mit der Saponinsynthese in den Blättern zusammenhängen, auf geringen Phosphorstress reagieren. Die Expressionsmuster der unterschiedlich exprimierten Gene, die an der Biosynthese von Terpenoidskeletten, organischen Säuren und Inositol in Dioscorea nipponica-Blättern unter niedrigem Phosphorstress beteiligt sind, können weiter identifiziert, charakterisiert und funktionell analysiert werden, um ihren Zusammenhang mit dem Phosphormangel der Pflanze zu untersuchen. Die Korrelation zwischen der Reaktion und der Synthese steroidaler Saponine soll eine Grundlage für die Untersuchung des Regulationsmechanismus der Toleranz gegenüber niedrigem Phosphorgehalt in Dioscorea nipponica bilden.