Düşük fosfor stresine yanıt olarak Dioscorea nipponica'nın fizyolojik metabolizması ve gen ekspresyon özelliklerinin analizi
Bitki büyümesi ve gelişimi için temel elementlerden biri olan fosfor, fotosentez, enerji dönüşümü, sinyal iletimi ve enzim aktivitesi düzenlemesine katılır ve bu da bitkinin çevreye uyumunu artırabilir. Bitkiler için ana fosfor kaynağı topraktır, ancak topraktaki zayıf fosfor transferi nedeniyle kolayca sabitlenir ve düşük biyoyararlanımla sonuçlanır. Fosforlu gübre uygulaması mevcut fosfor eksikliğini hafifletebilse de, topraktaki demir, alüminyum, kalsiyum iyonları veya toprak partikülleri ile birleşmeye eğilimlidir ve bitkilerin alımını zorlaştırır. Buna ek olarak, aşırı fosfatlı gübre uygulaması sadece fosfat cevherinin tükenmesini şiddetlendirmekle kalmaz, aynı zamanda çevredeki su kütlelerinin ötrofikasyonu gibi çevre kirliliği sorunlarına da neden olur. Bu nedenle, düşük fosfor stresi altında bitkilerin tepki mekanizmasını incelemek, düşük fosfora toleranslı çeşitleri taramak ve yetiştirmek acildir. Düşük fosfor stresi altında bitkiler, fosfor formunu değiştirmek ve fosforun bitki tarafından alımını artırmak için fenotipik özellikleri ve fizyolojik metabolizmayı düzenleyerek düşük fosfor sinyallerine yanıt verir. Bitki kök sistemi, ACP salgılayarak rizosfer toprağındaki asit fosfataz (ACP) aktivitesini artırır, topraktaki çözünmeyen organik fosforun aktivasyonunu ve kullanımını sağlar. ACP, inorganik fosforu serbest bırakmak için monofosfat bağlarını hidrolize edebilen hidrolitik bir enzimdir. Genel olarak, ACP aktivitesindeki artış, bitkilerin düşük fosfor stresine yanıt vermesi için önemli mekanizmalardan biri olarak kabul edilir. Ayrıca, bitki köklerinin ve antioksidan sistemlerin gelişimi de düşük fosfor stresine yanıt olarak değişime uğrar.

Uzun büyüme ve gelişme süreci boyunca, bitkiler düşük fosfora direnmek için kendi mekanizmalarını geliştirirler. Düşük fosfor stresi altında bitkiler, düşük fosforlu ortamlara hızla uyum sağlamak ve hayatta kalma sürelerini uzatmak için bir dizi gen ifade seviyesini değiştirerek fizyolojik ve biyokimyasal süreçlerini düzenler. Transkriptom dizileme teknolojisi (RNA Seq), belirli koşullar altında dokuların gen transkripsiyonunu, lokalizasyonunu ve ek açıklamasını inceleyebilir ve bitki fizyolojik süreçlerinin moleküler mekanizmalarını incelemenin etkili bir yoludur. Şu anda, RNA Seq, bitkinin dış strese tepkisinin moleküler mekanizma araştırmasında yaygın olarak kullanılmaktadır ve bitki stres direnci moleküler mekanizmasının araştırma ilerlemesini büyük ölçüde teşvik etmektedir. Bu nedenle, düşük fosfor stresine karşı bitki toleransının moleküler mekanizmalarını incelemek için RNA Seq kullanmak, bitkilerde düşük fosfor stresine yanıt veren metabolik yolların araştırılması ve düşük fosfor stresine yanıt veren potansiyel anahtar genlerin taranması için büyük önem taşımaktadır.

Dioscorea zingiberensis C.H. Wright, Dioscoreaceae familyasında yer alan ve genellikle zencefil veya ateş kökü olarak bilinen bir bitki türüdür. Dioscorea opposita, Çin'de benzersiz bir çeşittir ve dünyadaki en yüksek diosgenin içeriğine sahip bitkidir. Dioscorea nipponica, diosgenin elde etmek için önemli bir tıbbi bitkidir ve ayrıca steroid hormon ilaçlarının sentezlenmesi için önemli bir hammaddedir. Buna ek olarak, Dioscorea opposita aynı zamanda kardiyovasküler ve serebrovasküler hastalıkların tedavisi için klinik bir ilaçtır ve bu da Dioscorea opposita ile ilgili endüstrilerin gelişimini büyük ölçüde teşvik etmektedir. Önceki çalışmalar, Dioscorea nipponica'nın uzun süreli yetiştirilmesinin topraktaki mevcut fosfor içeriğini azaltabileceğini, düşük fosfor stresine neden olabileceğini ve Dioscorea nipponica bitkilerinin büyümesini ve gelişmesini engelleyerek steroidal saponinlerinin sentezini etkileyebileceğini bulmuştur. Şu anda, düşük fosfor stresinin Dioscorea nipponica'nın büyümesi ve steroidal saponin metabolizması üzerindeki etkileri hakkında herhangi bir rapor bulunmamaktadır. Bu nedenle, önceki deneysel sonuçlara dayanarak, bu çalışmada araştırma nesnesi olarak Henan Eyaleti, Nanyang'dan Dioscorea nipponica seçilmiş ve inorganik fosfor derecelendirme içeriği kullanılarak düşük fosfor stresi altında Dioscorea nipponica'daki steroidal saponin bileşenlerinin fizyolojik değişiklikleri ve metabolik özellikleri değerlendirilmiştir, kök gelişimi, rizosfer matriks asit fosfataz (S-ACP) aktivitesi, bitki peroksidaz (POD) ve süperoksit dismutaz (SOD) aktivitesi ve çeşitli kısımlardaki steroidal saponin bileşenlerinin içeriği. Transkriptom dizileme teknolojisi, düşük fosfor stresi altında Dioscorea nipponica'da steroidal saponin bileşenlerinin temel fizyolojik değişikliklerini ve metabolik özelliklerini araştırmak için kullanılmıştır. Dönem boyunca Dioscorea opposita'nın farklı doku bölümlerinin gen ekspresyon özelliklerini analiz ederek, Dioscorea opposita'nın düşük fosfor stresine tepkisinin moleküler mekanizması hakkında daha fazla araştırma için bir temel sağladı.

Bitkilerin büyümesi, genlerin ve çevrenin ortak hareketinin bir sonucudur. Düşük fosfor stresi altında bitkiler, vücutlarındaki sinyal reseptörleri aracılığıyla topraktaki fosfor eksikliğinin sinyallerini alırlar. Karmaşık sinyal iletimi yoluyla, vücutlarında düşük fosfor stresiyle ilgili genlerin ifadesini başlatacak, bitkilerdeki fizyolojik ve biyokimyasal süreçleri düzenleyecek ve sonuçta düşük fosfor stresine yanıt olarak bir dizi morfolojik ve fizyolojik biyokimyasal özellik sergileyeceklerdir. Bu deneyde, Dioscorea opposita'nın çeşitli kısımlarının düşük fosfor stresi ve farklı fosfor konsantrasyonları altındaki tepki özellikleri, toprak altı kısmının gelişim özellikleri, çeşitli kısımlardaki SOD ve POD aktiviteleri, rizosfer matrisindeki S-ACP aktivitesi ve rizosfer matrisindeki fosfor içeriği ve morfolojisi gibi çoklu göstergelere dayalı olarak analiz edilmiştir. Çalışma, normal gruptaki Al-P, Fe-P ve kullanılabilir fosfor gibi kolay kullanılabilir fosfor içeriğinin şiddetli stres grubundakinden daha yüksek olduğunu, özellikle Al-P içeriğinin normal grupta, orta stres grubunda ve şiddetli stres grubunda sırayla azaldığını göstermiştir. Ayrıca, Dioscorea opposita'nın beş doku parçasındaki her bir stres grubunun POD aktivitesi genellikle normal grubunkinden daha yüksekti ve şiddetli stres grubunun rizosfer matrisindeki asit fosfataz aktivitesi her üç aşamada da normal grubunkinden önemli ölçüde daha yüksekti. Bu, toprak fosforu eksik olduğunda bitkilerin maruz kaldığı fosfor açlığı tepkisiyle tutarlıdır; Ayrıca araştırma sonuçları, Dioscorea opposita'nın düşük fosfor stresine tepkisinin büyüme ve gelişmenin erken aşamasında daha belirgin olduğunu göstermektedir. Daha sonraki aşamada, Dioscorea opposita düşük fosfor stres ortamına uyum sağladıkça, tepki giderek zayıflar ve tepki özellikleri tutarlı olma eğilimindedir. Bu bir dereceye kadar Dioscorea opposita'nın düşük fosfor stresine verdiği yanıtın ve düzenlemenin karmaşık ve dinamik bir süreç olduğunu göstermektedir.

Metabolik düzenleme, bitkilerin düşük fosfor stresine uyum sağlaması için önemli bir mekanizmadır ve steroidal saponinler Dioscorea opposita'nın ana ikincil metabolitleri ve aktif bileşenleridir. Bu çalışmanın sonuçları, düşük fosfor stresinin Dioscorea opposita'da steroidal saponin sentezini etkilediğini ve fizyolojik özelliklere benzer şekilde, farklı uygulamalar altında bitkinin farklı kısımlarındaki steroidal saponinlerdeki farklılıkların esas olarak stresin erken aşamalarında ortaya çıktığını göstermektedir. Dioscorea opposita'nın düşük fosfor stresine tepki özelliklerini genetik düzeyde daha fazla araştırmak için, bu çalışma stresin erken aşamalarında Dioscorea opposita rizomlarının, yapraklarının ve toprak üstü gövdelerinin farklı muamelelerinin gen ekspresyon özelliklerini analiz etmiştir. Düşük fosfor stresine yanıt olarak potansiyel olarak farklı ifade edilen genlerin esas olarak organik asitlerin, inositolün, terpenoid iskeletlerin ve fosfat gibi çoklu metabolik yolların biyosentezinde yer aldığı bulunmuştur. Bu durum, rizosfer matriksinde S-ACP'nin artan aktivitesi, inositolün bitki sinyal iletimi ve stres düzenlemesine katılımı, terpenoidlerin strese karşı bitki direncindeki önemli rolü, fosfat taşıyıcı (PHT) kodlayan genlerin bitki büyümesi ve gelişimi, kök morfogenezi ve fosfor dengesini düzenlemedeki önemli rolü ile tutarlıdır.
Literatür araştırmaları, Dioscorea opposita'daki diosgenin'in esas olarak yapraklarda sentezlendiğini ve glikosilasyondan sonra daha fazla suda çözünür saponin üretildiğini ve depolanmak üzere rizomlara aktarıldığını bildirmektedir; bu da yaprakların saponin bileşenleri için ana sentez bölgesi olabileceğini, rizomların ise depolama bölgesi olduğunu göstermektedir. Bu çalışmada, düşük fosfor stresinden sonra her muamele grubunda diferansiyel olarak ifade edilen genlerin en önemli zenginleşmesine sahip ilk 20 yol, yapraklarda en önemli zenginleşmeye sahip yolların pentoz fosfat yolu, seskiterpenler ve triterpenoidler ve inositol biyosentezini içerirken, rizomlarda en önemli zenginleşmeye sahip yolların nişasta ve sükroz metabolizması, indol alkaloid biyosentezi vb. olduğunu göstermiştir. Çalışma, steroidal saponinlerin sentezinde yer alan genlerin mevalonik asit (MVA) yolu, 2-metil-D-eritritol 4-fosfat (MEP) yolu ve terpenoidlerin sentezinde yer alan kolesterol biyosentez yolu ile ilişkili olduğunu bulmuştur. Bu da yaprakların Dioscorea nipponica'da saponin sentezi için ana bölge olabileceğini doğrulamaktadır. Bu nedenle, yapraklarda saponin senteziyle ilgili genlerin düşük fosfor stresine nasıl tepki verdiği gerçek zamanlı floresan kantitatif qRT PCR teknolojisi ile doğrulanabilir. Düşük fosfor stresi altındaki Dioscorea nipponica yapraklarında terpenoid iskeletlerin, organik asitlerin ve inositolün biyosentezinde yer alan farklı şekilde ifade edilen genlerin ifade kalıpları, bitki fosfor açlığı ile ilişkilerini araştırmak için daha fazla tanımlanabilir, karakterize edilebilir ve işlevsel olarak analiz edilebilir. Yanıt ve steroidal saponin sentezi arasındaki korelasyon, Dioscorea nipponica'da düşük fosfor toleransının düzenleyici mekanizmasını incelemek için bir temel sağlamak.