A Dioscorea nipponica fiziológiai anyagcseréjének és génexpressziós jellemzőinek elemzése alacsony foszforstresszre adott válaszként
A foszfor, mint a növények növekedésének és fejlődésének egyik alapvető eleme, részt vesz a fotoszintézisben, az energiaátalakításban, a jelátvitelben és az enzimaktivitás szabályozásában, ami javíthatja a növények alkalmazkodóképességét a környezethez. A növények számára a foszfor fő forrása a talaj, de a talajban a foszfor rossz átvitele miatt könnyen megkötődik, ami alacsony biológiai hozzáférhetőséget eredményez. Bár a foszfortrágya alkalmazása enyhítheti a rendelkezésre álló foszfor hiányát, a foszfor hajlamos a talajban lévő vas-, alumínium-, kalciumionokkal vagy talajrészecskékkel egyesülni, ami megnehezíti a növények számára a felvételt. Ezen túlmenően a foszfáttrágya túlzott alkalmazása nemcsak a foszfátércek kimerülését súlyosbítja, hanem környezetszennyezési problémákat is okoz, például a környező víztestek eutrofizációját. Ezért sürgősen meg kell vizsgálni a növények válaszmechanizmusát az alacsony foszforstressz alatt, valamint szűrni és termeszteni kell az alacsony foszfortűrésű fajtákat. Alacsony foszforstressz esetén a növények a fenotípusos jellemzők és a fiziológiai anyagcsere szabályozásával reagálnak az alacsony foszforszintű jelekre, hogy megváltoztassák a foszfor formáját és növeljék a növényi foszforfelvételt. A növényi gyökérrendszer az ACP kiválasztásával fokozza a savas foszfatáz (ACP) aktivitását a rizoszféra talajában, elérve a talajban lévő oldhatatlan szerves foszfor aktiválását és hasznosítását. Az ACP egy hidrolitikus enzim, amely képes hidrolizálni a monofoszfát kötéseket, hogy felszabadítsa a szervetlen foszfort. Általában az ACP-aktivitás növekedését tekintik az egyik fontos mechanizmusnak, amellyel a növények reagálnak az alacsony foszforstresszre. Ezenkívül a növényi gyökerek és az antioxidáns rendszerek fejlődése is megváltozik az alacsony foszforstresszre adott válaszként.

A növekedés és fejlődés hosszú folyamata során a növények saját mechanizmusokat fejlesztenek ki az alacsony foszforszintnek való ellenállásra. Alacsony foszforstressz esetén a növények egy sor génexpressziós szint megváltoztatásával szabályozzák fiziológiai és biokémiai folyamataikat annak érdekében, hogy gyorsan alkalmazkodjanak az alacsony foszfortartalmú környezethez és meghosszabbítsák túlélési idejüket. A transzkriptom szekvenálási technológia (RNA Seq) képes a szövetek génátírását, lokalizációját és annotációját tanulmányozni meghatározott körülmények között, és hatékony eszköz a növényi fiziológiai folyamatok molekuláris mechanizmusainak tanulmányozására. Jelenleg az RNS Seq-t széles körben használják a külső stresszre adott növényi válasz molekuláris mechanizmusának kutatásában, nagymértékben elősegítve a növényi stresszellenállás molekuláris mechanizmusának kutatási előrehaladását. Ezért az RNS Seq használata az alacsony foszforstresszel szembeni növényi tolerancia molekuláris mechanizmusainak vizsgálatára nagy jelentőséggel bír a növényekben az alacsony foszforstresszre reagáló metabolikus útvonalak keresése és az alacsony foszforstresszre reagáló potenciális kulcsgének szűrése szempontjából.

A Dioscorea zingiberensis C.H. Wright a Dioscoreaceae családba tartozó növényfaj, közismert nevén gyömbér vagy tűzgyökér. A Dioscorea opposita Kínában egyedülálló fajta, és a világon a legmagasabb diosgenin-tartalmú növény. A Dioscorea nipponica fontos gyógynövény a diosgenin kivonására, valamint fontos alapanyag a szteroid hormongyógyszerek szintéziséhez. Ezenkívül a Dioscorea opposita klinikai gyógyszer a szív- és érrendszeri és agyi betegségek kezelésére, ami nagyban elősegíti a Dioscorea opposita kapcsolódó iparágainak fejlődését. Korábbi tanulmányok megállapították, hogy a Dioscorea nipponica hosszú távú termesztése csökkentheti a talaj rendelkezésre álló foszfortartalmát, ami alacsony foszforstresszt okoz, és akadályozza a Dioscorea nipponica növények növekedését és fejlődését, befolyásolva a szteroid szaponinok szintézisét. Jelenleg nem számoltak be az alacsony foszforstressznek a Dioscorea nipponica növekedésére és szteroid szaponin metabolizmusára gyakorolt hatásairól. Ezért a korábbi kísérleti eredmények alapján ez a tanulmány a Henan tartománybeli Nanyangból származó Dioscorea nipponica-t választotta kutatási tárgynak, és a szervetlen foszfor osztályozó tartalma alapján értékelte a Dioscorea nipponica szteroid szaponin összetevőinek fiziológiai változásait és metabolikus jellemzőit alacsony foszforstressz alatt, a gyökérfejlődést, a rizoszféra mátrix savas foszfatáz (S-ACP) aktivitását, a növényi peroxidáz (POD) és szuperoxid-dizmutáz (SOD) aktivitását, valamint a szteroid szaponin komponensek tartalmát a különböző részekben. A transzkriptom szekvenálási technológiát használtuk a Dioscorea nipponica növényben a legfontosabb fiziológiai változások és a szteroid szaponin komponensek metabolikus jellemzőinek vizsgálatára alacsony foszforstressz alatt. Elemezzük a Dioscorea opposita különböző szöveti részeinek génexpressziós jellemzőit az adott időszakban, ami alapot nyújt a Dioscorea opposita alacsony foszforstresszre adott válaszának molekuláris mechanizmusával kapcsolatos további kutatásokhoz.

A növények növekedése a gének és a környezet együttes hatásának eredménye. Alacsony foszforstressz esetén a növények a szervezetükben lévő jelreceptorokon keresztül kapják a talaj foszforhiányának jeleit. A komplex jelátvitel révén az alacsony foszforstresszel kapcsolatos gének kifejeződését indítják el a szervezetükben, szabályozzák a növények fiziológiai és biokémiai folyamatait, és végül egy sor morfológiai és fiziológiai biokémiai jellemzőt mutatnak válaszul az alacsony foszforstresszre. Ebben a kísérletben a Dioscorea opposita különböző részeinek alacsony foszforstressz és különböző foszforkoncentrációk alatti válaszjellemzőit elemeztük több mutató alapján, mint például a föld alatti rész fejlődési jellemzői, a SOD és POD aktivitás a különböző részekben, az S-ACP aktivitás a rizoszféra mátrixban, valamint a foszfortartalom és a morfológia a rizoszféra mátrixban. A vizsgálat kimutatta, hogy a könnyen hasznosítható foszfor, mint például az Al-P, Fe-P és a rendelkezésre álló foszfor tartalma a normál csoportban magasabb volt, mint a súlyos stresszcsoportban, különösen az Al-P tartalom csökkent a normál csoportban, a mérsékelt stresszcsoportban és a súlyos stresszcsoportban egymás után. Ezenkívül a Dioscorea opposita öt szövetrészében a POD-aktivitás minden egyes stresszcsoportban általában magasabb volt, mint a normál csoporté, és a savas foszfatáz aktivitása a rizoszféra mátrixában a súlyos stresszcsoportban mindhárom szakaszban szignifikánsan magasabb volt, mint a normál csoporté. Ez összhangban van azzal a foszforéhségre adott válasszal, amelyet a növények a talaj foszforhiányos állapotában mutatnak; továbbá a kutatási eredmények azt mutatják, hogy a Dioscorea opposita alacsony foszforstresszre adott válasza a növekedés és fejlődés korai szakaszában sokkal nyilvánvalóbb. A későbbi szakaszban, ahogy a Dioscorea opposita alkalmazkodik az alacsony foszforstresszkörnyezethez, a válasz fokozatosan gyengül, és a válasz jellemzői általában következetesek. Ez bizonyos mértékig azt jelzi, hogy a Dioscorea opposita alacsony foszforstresszre adott válasza és szabályozása összetett dinamikus folyamat.

Az anyagcsere szabályozása fontos mechanizmusa a növényeknek az alacsony foszforstresszhez való alkalmazkodáshoz, és a szteroid szaponinok a Dioscorea opposita fő másodlagos anyagcseretermékei és hatóanyagai. E tanulmány eredményei azt mutatják, hogy az alacsony foszforstressz befolyásolja a Dioscorea opposita szteroid szaponinjainak szintézisét, és az élettani jellemzőkhöz hasonlóan a különböző kezelések során a különböző növényi részekben lévő szteroid szaponinok eltérései főként a stressz korai szakaszában jelentkeznek. A Dioscorea opposita alacsony foszforstresszre adott válaszreakcióinak további genetikai szintű feltárása érdekében ez a tanulmány a Dioscorea opposita rizómáinak, leveleinek és föld feletti szárának különböző kezelések során a stressz korai szakaszában a génexpressziós jellemzőit elemezte. Megállapítottuk, hogy az alacsony foszforstresszre adott válaszként potenciálisan differenciálisan expresszálódó gének főként a szerves savak, az inozitol, a terpenoid vázak és több anyagcsere-útvonal, például a foszfát bioszintézisében vesznek részt. Ez összhangban van az S-ACP fokozott aktivitásával a rizoszféra mátrixában, az inozitol részvételével a növényi jelátvitelben és a stresszszabályozásban, a terpenoidok fontos szerepével a növények stresszel szembeni ellenálló képességében, a foszfáttranszportert (PHT) kódoló gének fontos szerepével a növényi növekedés és fejlődés, a gyökérmorfogenezis és a foszforegyensúly szabályozásában.
A szakirodalmi kutatások arról számolnak be, hogy a Dioscorea opposita diosgeninje főként a levelekben szintetizálódik, és a glikoziláció után több vízoldható szaponin keletkezik, amelyek a rizómákba kerülnek tárolásra, ami arra utal, hogy a levelek lehetnek a szaponin komponensek fő szintézisének helyszínei, míg a rizómák a tárolás helye. Ebben a vizsgálatban az alacsony foszforstressz után az egyes kezelési csoportokban a differenciálisan kifejeződő gének legjelentősebb gazdagodását mutató 20 útvonal közül a levelekben a legjelentősebb gazdagodással rendelkező útvonalak a pentóz-foszfát útvonal, a szeszkiterpének és triterpenoidok, valamint az inozitol-bioszintézis, míg a rizómákban a legjelentősebb gazdagodással rendelkező útvonalak a keményítő- és szacharóz-anyagcsere, az indol-alkaloidok bioszintézise stb. voltak. A vizsgálat megállapította, hogy a szteroid szaponinok szintézisében részt vevő gének a mevalonsav (MVA) útvonalhoz, a 2-metil-D-eritritol-4-foszfát (MEP) útvonalhoz és a terpenoidok szintézisében részt vevő koleszterin bioszintézis útvonalhoz kapcsolódnak. Ez tovább erősíti, hogy a Dioscorea nipponica szaponinok szintézisének fő helyszíne a levél lehet. Ezért valós idejű fluoreszcens kvantitatív qRT PCR technológiával ellenőrizhető, hogy a levelekben a szaponinok szintézisével kapcsolatos gének hogyan reagálnak az alacsony foszforstresszre. A terpenoidvázak, szerves savak és inozitol bioszintézisében részt vevő, differenciálisan expresszálódó gének expressziós mintázata a Dioscorea nipponica leveleiben alacsony foszforstressz alatt tovább azonosítható, jellemezhető és funkcionálisan elemezhető a növényi foszforéhséggel való kapcsolatuk feltárása érdekében. A válasz és a szteroid szaponin szintézis közötti összefüggés megalapozza a Dioscorea nipponica alacsony foszfortűrésének szabályozási mechanizmusát.