Análisis del metabolismo fisiológico y de las características de expresión génica de Dioscorea nipponica en respuesta al estrés por bajo contenido en fósforo
El fósforo, como uno de los elementos esenciales para el crecimiento y el desarrollo de las plantas, participa en la fotosíntesis, la conversión de energía, la transducción de señales y la regulación de la actividad enzimática, lo que puede mejorar la adaptabilidad de las plantas al medio ambiente. La principal fuente de fósforo para las plantas es el suelo, pero debido a la escasa transferencia de fósforo en el suelo, se fija fácilmente, lo que resulta en una baja biodisponibilidad. Aunque la aplicación de fertilizantes de fósforo puede paliar la deficiencia de fósforo disponible, es propenso a combinarse con iones de hierro, aluminio, calcio o partículas del suelo, lo que dificulta su absorción por las plantas. Además, la aplicación excesiva de fertilizantes fosfatados no sólo agrava el agotamiento del mineral de fosfato, sino que también causa problemas de contaminación ambiental, como la eutrofización de las masas de agua circundantes. Por lo tanto, es urgente estudiar el mecanismo de respuesta de las plantas bajo estrés por bajo contenido de fósforo, y seleccionar y cultivar variedades tolerantes al bajo contenido de fósforo. Bajo estrés por bajo contenido de fósforo, las plantas responden a las señales de bajo contenido de fósforo regulando los rasgos fenotípicos y el metabolismo fisiológico para alterar la forma del fósforo y aumentar su absorción. El sistema radicular de la planta aumenta la actividad de la fosfatasa ácida (ACP) en el suelo de la rizosfera mediante la secreción de ACP, logrando la activación y utilización del fósforo orgánico insoluble en el suelo. La ACP es una enzima hidrolítica que puede hidrolizar enlaces monofosfato para liberar fósforo inorgánico. En general, el aumento de la actividad de la ACP se considera uno de los mecanismos importantes para que las plantas respondan al estrés por bajo contenido de fósforo. Además, el desarrollo de las raíces de las plantas y los sistemas antioxidantes también experimentan cambios en respuesta al estrés por bajo contenido de fósforo.

Durante el largo proceso de crecimiento y desarrollo, las plantas desarrollan sus propios mecanismos para resistir el bajo nivel de fósforo. Bajo estrés por bajo contenido en fósforo, las plantas regulan sus procesos fisiológicos y bioquímicos alterando una serie de niveles de expresión génica, con el fin de adaptarse rápidamente a entornos con bajo contenido en fósforo y prolongar su tiempo de supervivencia. La tecnología de secuenciación del transcriptoma (RNA Seq) puede estudiar la transcripción, localización y anotación de genes de tejidos en condiciones específicas, y es un medio eficaz para estudiar los mecanismos moleculares de los procesos fisiológicos de las plantas. En la actualidad, RNA Seq se utiliza ampliamente en la investigación del mecanismo molecular de la respuesta de las plantas al estrés externo, promoviendo en gran medida el progreso de la investigación del mecanismo molecular de la resistencia de las plantas al estrés. Por lo tanto, el uso de RNA Seq para estudiar los mecanismos moleculares de la tolerancia de las plantas al estrés por bajo nivel de fósforo es de gran importancia para la búsqueda de vías metabólicas que responden al estrés por bajo nivel de fósforo en las plantas y el cribado de posibles genes clave que responden al estrés por bajo nivel de fósforo.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright es una especie vegetal de la familia Dioscoreaceae, conocida comúnmente como jengibre o raíz de fuego. Dioscorea opposita es una variedad única en China y la planta con mayor contenido de diosgenina del mundo. Dioscorea nipponica es una importante planta medicinal para la extracción de diosgenina, y también una importante materia prima para sintetizar fármacos de hormonas esteroideas. Además, la Dioscorea opposita es también un medicamento clínico para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares y cerebrovasculares, lo que promueve en gran medida el desarrollo de industrias relacionadas con la Dioscorea opposita. Estudios anteriores han encontrado que el cultivo a largo plazo de Dioscorea nipponica puede reducir el contenido de fósforo disponible en el suelo, causando un bajo estrés de fósforo y obstaculizando el crecimiento y desarrollo de las plantas de Dioscorea nipponica, afectando la síntesis de sus saponinas esteroidales. En la actualidad, no existen informes sobre los efectos del estrés por bajo contenido de fósforo en el crecimiento y el metabolismo de las saponinas esteroideas de Dioscorea nipponica. Por lo tanto, basado en resultados experimentales previos, este estudio seleccionó Dioscorea nipponica de Nanyang, provincia de Henan como objeto de investigación, y evaluó los cambios fisiológicos y las características metabólicas de los componentes de saponina esteroidal en Dioscorea nipponica bajo estrés por bajo contenido de fósforo inorgánico, el desarrollo de las raíces, la actividad de la fosfatasa ácida de la matriz de la rizosfera (S-ACP), la actividad de la peroxidasa vegetal (POD) y la superóxido dismutasa (SOD), y el contenido de componentes de saponina esteroidal en varias partes. Se utilizó la tecnología de secuenciación del transcriptoma para investigar los cambios fisiológicos clave y las características metabólicas de los componentes de saponina esteroidal en Dioscorea nipponica bajo estrés por bajo contenido de fósforo. Analizar las características de la expresión génica de diferentes partes del tejido de Dioscorea opposita durante el período, proporcionando una base para futuras investigaciones sobre el mecanismo molecular de la respuesta de Dioscorea opposita al estrés por bajo contenido de fósforo.

El crecimiento de las plantas es el resultado de la acción conjunta de los genes y el medio ambiente. Bajo estrés por bajo nivel de fósforo, las plantas obtendrán señales de la deficiencia de fósforo del suelo a través de receptores de señales en sus cuerpos. A través de una compleja transducción de señales, iniciarán la expresión de genes relacionados con el estrés por bajo nivel de fósforo en sus cuerpos, regularán procesos fisiológicos y bioquímicos en las plantas y, en última instancia, mostrarán una serie de características morfológicas y bioquímicas fisiológicas en respuesta al estrés por bajo nivel de fósforo. Este experimento analizó las características de respuesta de varias partes de Dioscorea opposita bajo estrés por bajo contenido de fósforo y diferentes concentraciones de fósforo basándose en múltiples indicadores como las características de desarrollo de la parte subterránea, las actividades SOD y POD en varias partes, la actividad S-ACP en la matriz de la rizosfera, y el contenido de fósforo y la morfología en la matriz de la rizosfera. El estudio mostró que el contenido de fósforo fácilmente utilizable como Al-P, Fe-P, y fósforo disponible en el grupo normal fue mayor que en el grupo de estrés severo, especialmente el contenido de Al-P disminuyó en el grupo normal, grupo de estrés moderado, y grupo de estrés severo en secuencia. Además, la actividad POD de cada grupo de estrés en las cinco partes del tejido de Dioscorea opposita fue generalmente mayor que la del grupo normal, y la actividad de la fosfatasa ácida en la matriz de la rizosfera del grupo de estrés severo fue significativamente mayor que la del grupo normal en las tres etapas. Además, los resultados de la investigación indican que la respuesta de Dioscorea opposita al estrés por bajo contenido de fósforo es más evidente en la fase inicial de crecimiento y desarrollo. En la etapa posterior, a medida que Dioscorea opposita se adapta al entorno de estrés por bajo nivel de fósforo, la respuesta se debilita gradualmente y las características de la respuesta tienden a ser consistentes. Esto indica hasta cierto punto que la respuesta y la regulación de Dioscorea opposita al estrés por bajo contenido de fósforo es un proceso dinámico complejo.

La regulación metabólica es un mecanismo importante para que las plantas se adapten al estrés por bajo nivel de fósforo, y las saponinas esteroideas son los principales metabolitos secundarios y principios activos de Dioscorea opposita. Los resultados de este estudio indican que el estrés por bajo nivel de fósforo afecta a la síntesis de saponinas esteroideas en Dioscorea opposita, y de forma similar a las características fisiológicas, las diferencias en las saponinas esteroideas en diferentes partes de la planta bajo diferentes tratamientos se manifiestan principalmente en las primeras etapas del estrés. Con el fin de explorar más a fondo las características de respuesta de Dioscorea opposita al estrés por bajo nivel de fósforo a nivel genético, este estudio analizó las características de expresión génica de diferentes tratamientos de rizomas, hojas y tallos aéreos de Dioscorea opposita en las primeras etapas de estrés. Se encontró que los genes potencialmente expresados diferencialmente en respuesta al estrés por bajo contenido de fósforo estaban principalmente involucrados en la biosíntesis de ácidos orgánicos, inositol, esqueletos terpenoides, y múltiples vías metabólicas como el fosfato. Esto es coherente con la mayor actividad de S-ACP en la matriz de la rizosfera, la implicación del inositol en la transducción de señales de la planta y la regulación del estrés, el importante papel de los terpenoides en la resistencia de la planta al estrés, el importante papel de los genes que codifican el transportador de fosfato (PHT) en la regulación del crecimiento y desarrollo de la planta, la morfogénesis de la raíz y el equilibrio de fósforo.
La investigación bibliográfica informa que la diosgenina en Dioscorea opposita se sintetiza principalmente en las hojas, y después de la glicosilación, se generan más saponinas solubles en agua que se transfieren a los rizomas para su almacenamiento, lo que indica que las hojas pueden ser el principal sitio de síntesis de los componentes de saponina, mientras que los rizomas son el sitio de almacenamiento. En este estudio, las 20 vías principales con el enriquecimiento más significativo de genes expresados diferencialmente en cada grupo de tratamiento tras el estrés por bajo nivel de fósforo mostraron que las vías con el enriquecimiento más significativo en las hojas incluían la vía de las pentosas fosfato, sesquiterpenos y triterpenoides, y la biosíntesis de inositol, mientras que las vías con el enriquecimiento más significativo en los rizomas eran el metabolismo del almidón y la sacarosa, la biosíntesis de alcaloides indólicos, etc. El estudio descubrió que los genes implicados en la síntesis de saponinas esteroidales están relacionados con la vía del ácido mevalónico (MVA), la vía del 2-metil-D-eritritol 4-fosfato (MEP) y la vía de la biosíntesis del colesterol implicada en la síntesis de terpenoides. Esto confirma aún más que las hojas pueden ser el sitio principal para la síntesis de saponinas en Dioscorea nipponica. Por lo tanto, la forma en que los genes relacionados con la síntesis de saponinas en las hojas responden al estrés por bajo nivel de fósforo puede verificarse mediante la tecnología de PCR cuantitativa qRT con fluorescencia en tiempo real. Los patrones de expresión de genes diferencialmente expresados implicados en la biosíntesis de esqueletos terpenoides, ácidos orgánicos e inositol en hojas de Dioscorea nipponica bajo estrés por bajo nivel de fósforo pueden ser identificados, caracterizados y analizados funcionalmente para explorar su relación con la inanición de fósforo de la planta. La correlación entre la respuesta y la síntesis de saponina esteroidal, Para proporcionar una base para el estudio del mecanismo de regulación de la tolerancia a bajo fósforo en Dioscorea nipponica.