Анализ физиологического метаболизма и характеристик экспрессии генов Dioscorea nipponica в ответ на стресс с низким содержанием фосфора
Фосфор, как один из необходимых элементов для роста и развития растений, участвует в фотосинтезе, преобразовании энергии, передаче сигналов и регуляции активности ферментов, что может улучшить адаптацию растений к окружающей среде. Основным источником фосфора для растений является почва, но из-за плохого переноса фосфора в почве он легко фиксируется, что приводит к его низкой биодоступности. Хотя внесение фосфорных удобрений может уменьшить дефицит доступного фосфора, он склонен соединяться с ионами железа, алюминия, кальция или почвенными частицами в почве, что затрудняет его усвоение растениями. Кроме того, чрезмерное применение фосфорных удобрений не только усугубляет истощение запасов фосфатной руды, но и вызывает проблемы загрязнения окружающей среды, такие как эвтрофикация окружающих водоемов. Поэтому необходимо изучить механизм реакции растений на стресс, вызванный низким содержанием фосфора, провести отбор и вывести сорта, устойчивые к низкому содержанию фосфора. В условиях фосфорного стресса растения реагируют на сигналы низкого содержания фосфора путем регуляции фенотипических признаков и физиологического метаболизма, чтобы изменить форму фосфора и увеличить его поглощение растениями. Корневая система растений повышает активность кислой фосфатазы (КФ) в ризосфере почвы, выделяя КФ, что приводит к активации и утилизации нерастворимого органического фосфора в почве. ACP - это гидролитический фермент, способный гидролизовать монофосфатные связи для высвобождения неорганического фосфора. В целом, увеличение активности ACP считается одним из важных механизмов реагирования растений на стресс, связанный с низким содержанием фосфора. Кроме того, развитие корней растений и антиоксидантных систем также претерпевает изменения в ответ на стресс, связанный с низким содержанием фосфора.

В течение длительного процесса роста и развития растения вырабатывают собственный механизм противостояния низкому содержанию фосфора. В условиях стресса, вызванного низким содержанием фосфора, растения регулируют свои физиологические и биохимические процессы, изменяя ряд уровней экспрессии генов, чтобы быстро адаптироваться к среде с низким содержанием фосфора и продлить время своего выживания. Технология секвенирования транскриптома (RNA Seq) позволяет изучать транскрипцию, локализацию и аннотацию генов в тканях при определенных условиях и является эффективным средством изучения молекулярных механизмов физиологических процессов растений. В настоящее время RNA Seq широко используется в исследовании молекулярных механизмов реакции растений на внешний стресс, что значительно способствует прогрессу исследований молекулярных механизмов устойчивости растений к стрессу. Поэтому использование RNA Seq для изучения молекулярных механизмов устойчивости растений к низкофосфорному стрессу имеет большое значение для поиска метаболических путей, реагирующих на низкофосфорный стресс в растениях, и скрининга потенциальных ключевых генов, реагирующих на низкофосфорный стресс.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright - вид растений семейства Dioscoreaceae, широко известный как имбирь или огненный корень. Dioscorea opposita - уникальный сорт в Китае и растение с самым высоким содержанием диосгенина в мире. Dioscorea nipponica - важное лекарственное растение для извлечения диосгенина, а также важное сырье для синтеза стероидных гормональных препаратов. Кроме того, Dioscorea opposita является клиническим препаратом для лечения сердечно-сосудистых и цереброваскулярных заболеваний, что значительно способствует развитию смежных отраслей Dioscorea opposita. Предыдущие исследования показали, что длительное выращивание Dioscorea nipponica может снизить содержание доступного фосфора в почве, вызывая фосфорный стресс и препятствуя росту и развитию растений Dioscorea nipponica, влияя на синтез ее стероидных сапонинов. В настоящее время нет сообщений о влиянии фосфорного стресса на рост и метаболизм стероидных сапонинов Dioscorea nipponica. Поэтому, основываясь на предыдущих экспериментальных результатах, в данной работе в качестве объекта исследования была выбрана диоскорея ниппонская из Наньяна, провинция Хэнань, и проведена оценка физиологических изменений и метаболических характеристик компонентов стероидных сапонинов диоскореи ниппонской в условиях стресса низкого содержания фосфора с использованием градации содержания неорганического фосфора, Развитие корней, активность ризосферной матричной кислой фосфатазы (S-ACP), активность растительной пероксидазы (POD) и супероксиддисмутазы (SOD), а также содержание стероидных сапониновых компонентов в различных частях. Технология секвенирования транскриптома была использована для изучения ключевых физиологических изменений и метаболических характеристик стероидных сапониновых компонентов у Dioscorea nipponica в условиях стресса с низким содержанием фосфора. Проанализированы характеристики экспрессии генов в различных тканях Dioscorea opposita в этот период, что создает основу для дальнейших исследований молекулярного механизма реакции Dioscorea opposita на стресс с низким содержанием фосфора.

Рост растений - это результат совместного действия генов и окружающей среды. В условиях стресса, связанного с низким содержанием фосфора, растения получают сигналы о дефиците фосфора в почве через сигнальные рецепторы в своем организме. Посредством сложной передачи сигнала они инициируют экспрессию генов, связанных с низким фосфорным стрессом в своем организме, регулируют физиологические и биохимические процессы в растениях, и в конечном итоге демонстрируют ряд морфологических и физиолого-биохимических характеристик в ответ на низкий фосфорный стресс. В данном эксперименте были проанализированы особенности реакции различных частей Dioscorea opposita в условиях низкого фосфорного стресса и различных концентраций фосфора на основе множества показателей, таких как характеристики развития подземной части, активность SOD и POD в различных частях, активность S-ACP в ризосферном матриксе, а также содержание фосфора и морфология в ризосферном матриксе. Исследование показало, что содержание легко утилизируемого фосфора, такого как Al-P, Fe-P, и доступного фосфора в нормальной группе было выше, чем в группе сильного стресса, особенно содержание Al-P снижалось в нормальной группе, группе умеренного стресса и группе сильного стресса в последовательности. Более того, активность POD в пяти тканях Dioscorea opposita в каждой стрессовой группе была в целом выше, чем в нормальной группе, а активность кислой фосфатазы в ризосферном матриксе в группе сильного стресса была значительно выше, чем в нормальной группе на всех трех стадиях. Это соответствует реакции фосфорного голодания, которую испытывают растения при дефиците фосфора в почве. Кроме того, результаты исследования показывают, что реакция Dioscorea opposita на стресс с низким содержанием фосфора более очевидна на ранней стадии роста и развития. На более поздних этапах, по мере адаптации Dioscorea opposita к условиям стресса с низким содержанием фосфора, реакция постепенно ослабевает, а характеристики реакции становятся постоянными. Это в определенной степени указывает на то, что реакция и регуляция Dioscorea opposita на стресс с низким содержанием фосфора представляет собой сложный динамический процесс.

Метаболическая регуляция является важным механизмом адаптации растений к стрессу, вызванному низким содержанием фосфора, а стероидные сапонины являются основными вторичными метаболитами и активными ингредиентами Dioscorea opposita. Результаты данного исследования показывают, что стресс, вызванный низким содержанием фосфора, влияет на синтез стероидных сапонинов в Dioscorea opposita, и, как и физиологические характеристики, различия в содержании стероидных сапонинов в разных частях растения при различных обработках проявляются в основном на ранних стадиях стресса. Для дальнейшего изучения особенностей реакции Dioscorea opposita на стресс с низким содержанием фосфора на генетическом уровне в данном исследовании были проанализированы характеристики экспрессии генов в различных обработках корневищ, листьев и надземных стеблей Dioscorea opposita на ранних стадиях стресса. Было обнаружено, что потенциальные дифференциально экспрессируемые гены в ответ на стресс, вызванный низким содержанием фосфора, в основном участвуют в биосинтезе органических кислот, инозитола, терпеноидных скелетов и многочисленных метаболических путях, таких как фосфатный. Это согласуется с повышенной активностью S-ACP в ризосферном матриксе, участием инозитола в передаче сигналов и регуляции стресса, важной ролью терпеноидов в устойчивости растений к стрессу, важной ролью генов, кодирующих фосфатный транспортер (PHT), в регуляции роста и развития растений, морфогенеза корней и фосфорного баланса.
Согласно литературным данным, диосгенин у Dioscorea opposita в основном синтезируется в листьях, а после гликозилирования образуется больше водорастворимых сапонинов, которые переносятся в корневища для хранения, что указывает на то, что листья могут быть основным местом синтеза сапониновых компонентов, а корневища - местом хранения. В данном исследовании топ-20 путей с наиболее значительным обогащением дифференциально экспрессированных генов в каждой группе обработки после стресса с низким содержанием фосфора показал, что пути с наиболее значительным обогащением в листьях включают путь пентозного фосфата, сесквитерпены и тритерпеноиды, биосинтез инозитола, а пути с наиболее значительным обогащением в корневищах - метаболизм крахмала и сахарозы, биосинтез индольных алкалоидов и т. д. Исследование показало, что гены, участвующие в синтезе стероидных сапонинов, связаны с путем мевалоновой кислоты (MVA), путем 2-метил-D-эритрит-4-фосфата (MEP) и путем биосинтеза холестерина, участвующим в синтезе терпеноидов. Это еще раз подтверждает, что листья могут быть основным местом синтеза сапонинов у Dioscorea nipponica. Таким образом, реакция генов, связанных с синтезом сапонинов в листьях, на стресс, вызванный низким содержанием фосфора, может быть проверена с помощью технологии количественной флуоресцентной ПЦР в реальном времени. Характер экспрессии дифференциально экспрессируемых генов, участвующих в биосинтезе терпеноидных скелетов, органических кислот и инозитола в листьях Dioscorea nipponica при низком фосфорном стрессе, может быть далее идентифицирован, охарактеризован и функционально проанализирован для изучения их связи с фосфорным голоданием растений. Корреляция между реакцией и синтезом стероидных сапонинов послужит основой для изучения регуляторного механизма устойчивости Dioscorea nipponica к низкому содержанию фосфора.