Analyse du métabolisme physiologique et des caractéristiques de l'expression génétique de Dioscorea nipponica en réponse à un faible stress phosphoré
Le phosphore, l'un des éléments essentiels à la croissance et au développement des plantes, participe à la photosynthèse, à la conversion énergétique, à la transduction des signaux et à la régulation de l'activité enzymatique, ce qui peut améliorer l'adaptabilité des plantes à l'environnement. La principale source de phosphore pour les plantes est le sol, mais en raison du mauvais transfert du phosphore dans le sol, il est facilement fixé, ce qui entraîne une faible biodisponibilité. Bien que l'application d'engrais phosphorés puisse pallier la carence en phosphore disponible, celui-ci est susceptible de se combiner avec des ions de fer, d'aluminium et de calcium ou des particules du sol, ce qui le rend difficile à assimiler par les plantes. En outre, l'application excessive d'engrais phosphatés non seulement exacerbe l'épuisement du minerai de phosphate, mais provoque également des problèmes de pollution environnementale tels que l'eutrophisation des masses d'eau environnantes. Il est donc urgent d'étudier le mécanisme de réponse des plantes en cas de stress dû à une faible teneur en phosphore, de sélectionner et de cultiver des variétés tolérantes à une faible teneur en phosphore. En cas de stress dû à une faible teneur en phosphore, les plantes répondent aux signaux de faible teneur en phosphore en régulant les caractéristiques phénotypiques et le métabolisme physiologique afin de modifier la forme du phosphore et d'augmenter l'absorption du phosphore par la plante. Le système racinaire de la plante renforce l'activité de la phosphatase acide (ACP) dans le sol de la rhizosphère en sécrétant de l'ACP, ce qui permet d'activer et d'utiliser le phosphore organique insoluble dans le sol. L'ACP est une enzyme hydrolytique qui peut hydrolyser les liaisons monophosphates pour libérer le phosphore inorganique. En général, l'augmentation de l'activité de l'ACP est considérée comme l'un des mécanismes importants permettant aux plantes de répondre à un stress dû à une faible teneur en phosphore. En outre, le développement des racines des plantes et les systèmes antioxydants subissent également des changements en réponse à un stress dû à une faible teneur en phosphore.

Au cours du long processus de croissance et de développement, les plantes développent leur propre mécanisme pour résister à une faible teneur en phosphore. En cas de stress dû à une faible teneur en phosphore, les plantes régulent leurs processus physiologiques et biochimiques en modifiant une série de niveaux d'expression génique, afin de s'adapter rapidement à des environnements pauvres en phosphore et de prolonger leur durée de survie. La technologie de séquençage du transcriptome (RNA Seq) permet d'étudier la transcription, la localisation et l'annotation des gènes des tissus dans des conditions spécifiques et constitue un moyen efficace d'étudier les mécanismes moléculaires des processus physiologiques des plantes. À l'heure actuelle, l'ARN Seq est largement utilisé dans la recherche sur les mécanismes moléculaires de la réponse des plantes au stress externe, ce qui favorise grandement les progrès de la recherche sur les mécanismes moléculaires de résistance au stress des plantes. Par conséquent, l'utilisation de l'ARN Seq pour étudier les mécanismes moléculaires de la tolérance des plantes au stress dû à une faible teneur en phosphore est d'une grande importance pour la recherche des voies métaboliques qui répondent au stress dû à une faible teneur en phosphore chez les plantes et pour le criblage des gènes clés potentiels qui répondent au stress dû à une faible teneur en phosphore.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright est une espèce végétale de la famille des Dioscoreaceae, communément appelée gingembre ou racine de feu. Dioscorea opposita est une variété unique en Chine et la plante la plus riche en diosgénine au monde. Dioscorea nipponica est une plante médicinale importante pour l'extraction de la diosgénine, ainsi qu'une matière première importante pour la synthèse de médicaments à base d'hormones stéroïdiennes. En outre, le Dioscorea opposita est également un médicament clinique pour le traitement des maladies cardiovasculaires et cérébrovasculaires, ce qui favorise grandement le développement des industries connexes du Dioscorea opposita. Des études antérieures ont montré que la culture à long terme de Dioscorea nipponica peut réduire la teneur en phosphore disponible dans le sol, provoquant un stress dû à une faible teneur en phosphore et entravant la croissance et le développement des plantes de Dioscorea nipponica, affectant la synthèse de ses saponines stéroïdiennes. À l'heure actuelle, aucun rapport n'a été publié sur les effets d'un faible stress phosphorique sur la croissance et le métabolisme des saponines stéroïdiennes de Dioscorea nipponica. Par conséquent, sur la base de résultats expérimentaux antérieurs, cette étude a choisi Dioscorea nipponica de Nanyang, dans la province du Henan, comme objet de recherche, et a évalué les changements physiologiques et les caractéristiques métaboliques des composants des saponines stéroïdiennes de Dioscorea nipponica soumis à un faible stress phosphorique en utilisant la teneur en phosphore inorganique de la gradation, Le développement des racines, l'activité de la phosphatase acide de la matrice de la rhizosphère (S-ACP), l'activité de la peroxydase végétale (POD) et de la superoxyde dismutase (SOD), ainsi que la teneur en composants de saponine stéroïdienne dans différentes parties. La technologie de séquençage du transcriptome a été utilisée pour étudier les principaux changements physiologiques et les caractéristiques métaboliques des composants de la saponine stéroïdienne chez Dioscorea nipponica en cas de stress lié à une faible teneur en phosphore. Analyser les caractéristiques de l'expression génique de différentes parties de tissus de Dioscorea opposita au cours de la période, en fournissant une base pour des recherches plus approfondies sur le mécanisme moléculaire de la réponse de Dioscorea opposita au stress dû à une faible teneur en phosphore.

La croissance des plantes est le résultat de l'action conjointe des gènes et de l'environnement. En cas de stress dû à une faible teneur en phosphore, les plantes reçoivent des signaux de carence en phosphore du sol par l'intermédiaire des récepteurs de signaux présents dans leur organisme. Par le biais d'une transduction complexe des signaux, elles déclenchent l'expression de gènes liés au stress dû à une faible teneur en phosphore, régulent les processus physiologiques et biochimiques des plantes et présentent finalement une série de caractéristiques morphologiques et physiologiques biochimiques en réponse au stress dû à une faible teneur en phosphore. Cette expérience a analysé les caractéristiques de réponse de diverses parties de Dioscorea opposita à un faible stress phosphorique et à différentes concentrations de phosphore sur la base de multiples indicateurs tels que les caractéristiques de développement de la partie souterraine, les activités SOD et POD dans diverses parties, l'activité S-ACP dans la matrice rhizosphérique, ainsi que la teneur en phosphore et la morphologie dans la matrice rhizosphérique. L'étude a montré que la teneur en phosphore facilement utilisable, comme l'Al-P, le Fe-P et le phosphore disponible, était plus élevée dans le groupe normal que dans le groupe soumis à un stress sévère, et que la teneur en Al-P diminuait successivement dans le groupe normal, le groupe soumis à un stress modéré et le groupe soumis à un stress sévère. En outre, l'activité POD de chaque groupe de stress dans les cinq parties des tissus de Dioscorea opposita était généralement plus élevée que celle du groupe normal, et l'activité de la phosphatase acide dans la matrice rhizosphérique du groupe de stress sévère était significativement plus élevée que celle du groupe normal aux trois stades. En outre, les résultats de la recherche indiquent que la réaction de Dioscorea opposita à un stress dû à une faible teneur en phosphore est plus évidente au début de la croissance et du développement. Par la suite, à mesure que Dioscorea opposita s'adapte à l'environnement de stress lié à la faible teneur en phosphore, la réponse s'affaiblit progressivement et les caractéristiques de la réponse tendent à être cohérentes. Cela indique dans une certaine mesure que la réponse et la régulation de Dioscorea opposita au stress dû à une faible teneur en phosphore est un processus dynamique complexe.

La régulation du métabolisme est un mécanisme important permettant aux plantes de s'adapter à un stress dû à une faible teneur en phosphore, et les saponines stéroïdiennes sont les principaux métabolites secondaires et ingrédients actifs de Dioscorea opposita. Les résultats de cette étude indiquent que le stress dû à une faible teneur en phosphore affecte la synthèse des saponines stéroïdiennes chez Dioscorea opposita et, à l'instar des caractéristiques physiologiques, les différences entre les saponines stéroïdiennes des différentes parties de la plante soumises à différents traitements se manifestent principalement dans les premiers stades du stress. Afin d'explorer plus avant les caractéristiques de la réponse de Dioscorea opposita à un stress dû à une faible teneur en phosphore au niveau génétique, cette étude a analysé les caractéristiques de l'expression génique de différents traitements des rhizomes, des feuilles et des tiges aériennes de Dioscorea opposita dans les premiers stades du stress. Il a été constaté que les gènes potentiellement exprimés de manière différentielle en réponse à un stress de faible teneur en phosphore étaient principalement impliqués dans la biosynthèse des acides organiques, de l'inositol, des squelettes terpénoïdes et de multiples voies métaboliques telles que le phosphate. Ceci est cohérent avec l'activité accrue du S-ACP dans la matrice rhizosphérique, l'implication de l'inositol dans la transduction des signaux des plantes et la régulation du stress, le rôle important des terpénoïdes dans la résistance des plantes au stress, le rôle important des gènes codant pour le transporteur de phosphate (PHT) dans la régulation de la croissance et du développement des plantes, de la morphogenèse des racines et de l'équilibre du phosphore.
La recherche bibliographique rapporte que la diosgénine de Dioscorea opposita est principalement synthétisée dans les feuilles, et qu'après la glycosylation, davantage de saponines hydrosolubles sont générées et transférées dans les rhizomes pour y être stockées, ce qui indique que les feuilles peuvent être le principal site de synthèse des composants de la saponine, tandis que les rhizomes sont le site de stockage. Dans cette étude, les 20 principales voies présentant l'enrichissement le plus significatif de gènes différentiellement exprimés dans chaque groupe de traitement après un faible stress phosphoré ont montré que les voies présentant l'enrichissement le plus significatif dans les feuilles comprenaient la voie des pentoses phosphates, les sesquiterpènes et les triterpénoïdes, et la biosynthèse de l'inositol, tandis que les voies présentant l'enrichissement le plus significatif dans les rhizomes étaient le métabolisme de l'amidon et du saccharose, la biosynthèse des alcaloïdes indoliques, etc. L'étude a révélé que les gènes impliqués dans la synthèse des saponines stéroïdiennes sont liés à la voie de l'acide mévalonique (MVA), à la voie du 2-méthyl-D-érythritol 4-phosphate (MEP) et à la voie de biosynthèse du cholestérol impliquée dans la synthèse des terpénoïdes. Ceci confirme que les feuilles peuvent être le site principal pour la synthèse des saponines chez Dioscorea nipponica. Par conséquent, la façon dont les gènes liés à la synthèse des saponines dans les feuilles répondent à un stress dû à une faible teneur en phosphore peut être vérifiée à l'aide de la technologie PCR quantitative en fluorescence en temps réel. Les profils d'expression des gènes différentiellement exprimés impliqués dans la biosynthèse des squelettes terpénoïdes, des acides organiques et de l'inositol dans les feuilles de Dioscorea nipponica soumises à un faible stress phosphorique peuvent être identifiés, caractérisés et analysés fonctionnellement afin d'explorer leur relation avec la privation de phosphore des plantes. La corrélation entre la réponse et la synthèse des saponines stéroïdiennes fournira une base pour l'étude du mécanisme de régulation de la tolérance au phosphore chez Dioscorea nipponica.