多组学技术在人参属药用植物抗根部病害研究中的应用.pdf
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1、170DOl:10.16720/ki.tcyj.2022.150多组学技术在人参属药用植物抗根部病害研究中的应用Special Wild Economic Animal and Plant Research特产研究李雅淑1,张宁1,李冉琪1,张晶晶1,侯微1,李亚丽1,曲正义1,郑培和2 1.中国农业科学院特产研究所,吉林省中药材种植(养殖)重点实验室,吉林长春130 112;2.吉林农业科技学院,吉林吉林132 10 9摘要:人参、西洋参和三七是五加科人参属中典型的代表性药用植物,均为我国名贵中药材。根部病害是影响人参属药用植物发展的重要因素。目前,多组学技术在植物抗病育种中的应用越来越广泛
2、。本文从基因组、转录组、蛋白质组和代谢组学4个方面综述了人参、西洋参和三七抗根部病害研究进展,以期为这3种药用植物的抗病育种研究提供借鉴。关键词:人参属;根部病害;组学技术;研究进展中图分类号:S435.675The Application of Multi-Omics Technology in Root Disease Resistance of文献标识码:APanax Medicinal Plants文章编号:10 0 1-47 2 1(2 0 2 3)0 5-0 17 0-0 7LI Yashu,ZHANG Ningl,LI Ranqi,ZHANG Jingjing,HOU Weil,
3、LI Yalil,QU Zhengyil,ZHENG Peihe2*(1.Institute of Special Animal and Plant Sciences of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Jilin Key Laboratory of Cul-tivation and Propagation on Traditional Chinese Medicinal Materials,Changchun 130112,China;2.Jilin Agricultural Sci-ence and Technology Universi
4、ty,Jilin 132109,China)Abstract:The Panax genus in the Araliaceae family includes a variety of medicinal plants,among which Panax ginseng,P.quinquefoliumand P.notoginseng are representative plants,and they are all precious Chinese Medicinal Materials.Root disease is an important factor limi-ting the
5、development of Panax medicinal plants.In recent years,the application of multi-omics technology in plant disease resistance bre-eding has become more and more extensive.The research progress on root resistance of P.ginseng,P.quinquefolium and P.notoginsengwas reviewed from four aspects of genome,tra
6、nscriptome,proteome and metabolomics,in order to provide reference for the research on re-sistance breeding of these three medicinal plants.Key words:Panax;root rot;omics technology;research progress人参(Panax ginseng)、西洋参(P.quinquefolium)和三七(P.notoginseng)是我国名贵中药材,具有珍贵的药用价值,其药用部位为多年生宿根。人参生长周期长,易受多种病原
7、菌侵染,其中根腐病和锈腐病是栽培过程中高发的根部土传性真菌病害,具有易传播、致死率高和防治难度大等特点,常造成大幅减产1。目前根部病害的防治多依赖化学手段,这不仅会引起药材农残超标,同时还会带来环境破坏等其他方面的问题,因此培育优良品种是进一步发展药用植物栽培产业的重要前提,培育新型抗病品种对于根部病害防治具有重收稿日期:2 0 2 2-0 5-17基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 1YFD1600900、2 0 17 YFC 17 0 2 10 2)作者简介:李雅淑(1997-),女,河北张家口人,硕士研究生,从事药用植物资源评价研究。通讯作者:郑培和(197 3-),男,吉林抚松
8、人,博士,研究员,硕士生导师,从事药用植物资源评价与利用等研究工作。要意义。随着高通量测序技术的发展,各组学技术在植物抗病育种中的应用越来越广泛。本文综述了多组学技术在人参、西洋参和三七在抗根部病害应用中取得的研究进展。1基因组学1.1DNA分子标记DNA 分子标记(DNA molecular markers)技术是以脱氧核糖核酸(DNA)为基础,在分子水平上研究生物体的遗传信息差异,进而揭示生物体遗传规律及表第5期型性状规律的技术。近年来,该技术已广泛应用于药用植物亲缘关系鉴定、道地性研究和生物多样性保护等领域,其在药用植物抗病育种方面有极其广阔的应用前景2-4。1.1.1SSR分子标记简单
9、重复序列标记(Simplese-quencerepeats,SSR)又称微卫星序列标记(Microsatel-lite sequence,MS),是以PCR技术为基础的分子标记技术,其串联重复的核心序列为1 6 bp,其中最常见是双核苷酸重复,重复单位数目10 6 0 个,其高度多态性主要来源于串联数目的不同5,6 。KIM等7 通过SSR分子标记构建了人参富含微卫星序列的基因组文库,可用于人参物种的连锁分析、遗传育种和鉴定。范馨元等8 基于EST-SSR标记对人参、西洋参和三七进行鉴别,发现引物P2和Q11的组合鉴定效果最好,对于人参、西洋参和三七的市售商业产品检出率均在8 5%以上。在药用
10、植物中,SSR分子标记已广泛应用于多种药用植物种质资源遗传多样性分析,但在抗病育种中应用较少。张晶晶等9 以人参抗、感根腐病株系基因组DNA为模板,对 SSR多态性引物进行了人参根腐病抗病性分子标记的筛选,表明引物P29可以将人参抗、感根腐病株系区分开来,该标记可能与人参根腐病抗性相关,可用于人参抗根腐病种质的早期筛选。1.1.2SNP分子标记单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)是第三代DNA分子标记,是等位基因间单个核苷酸的差异引起的多态性,包括转换、颠换、插入和缺失等。SNP描述的是双等位基因多态性,数量远高于SSR,在生物、医学和农学等多
11、领域得到了广泛应用10-12 。董林林等13 和陈中坚等14 通过简化基因组测序技术,发现了1个与三七抗、感根腐病相关的SNP位点,利用DNA标记辅助育种,选育出三七抗病品种“苗乡抗七1号”。对三七抗病品种的种苗等级鉴定及发病率评价表明抗病品种种苗根腐病及锈腐病发病率均显著下降,且抗性评价表明苗乡抗七1号 种子、种苗和块根都对根腐病表现出明显抗性。DNA标记辅助育种有助于缩短育种年限,加快抗病品种的选育进程。1.2抗病基因挖掘植物抗病基因(Resistance gene)是在植物免疫及抗病反应过程中抵抗病原微生物侵染及减缓传播的重要基因15。因此,寻找人参属植物抗病基因,了解抗病机制,将有助于
12、从分子角度入手改良物种性状,对培育抗病品种具有重要意义。李雅淑,等:多组学技术在人参属药用植物抗根部病害研究中的应用171病程相关蛋白(Pathogenesis-related proteins,PRs)、多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(Polygalacturonase-inhib-iting protein,PGIP)和几丁质酶(Chitinase,CHI)等是植物抗病防御反应体系中的重要组成部分。李瑞博等16 优化了三七病程相关蛋白PnPR1的诱导条件,为蛋白纯化及制备单克隆抗体奠定了基础。唐美琼等17 研究表明三七PnPR10-1基因在1 3年生三七的根、茎、叶中表现为组成型表达,且响应三七
13、根部根腐病病原菌胁迫,提示三七PnPR10-1可能具有代谢调控、生长发育和抗病等重要生物学功能,并参与抗三七根腐病的防御反应。研究表明,三七病程相关蛋白基因PnPR118、PnPR1019、Pn PR10-32 0 、Pn PRl i k e 2 0 、三七多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因PnPGIP21、三七几丁质酶基因 PnCHI22、三七 snakin 基因 PnSNI23,24、三七 de-fensin类似蛋白基因PnDEFLI24、三七 dirigent 基因PnDIRI25,26、三七抗病相关基因PnMAPKK/27、三七osmotin-like protein 基因 PnOLPJ28
14、、三七 NAC 转录因子基因PnNAC129和三七转录因子基因PnMYB230等表达受茉莉酸甲酯(Methyl jasmonate,MeJA)、乙烯利(Ethree,ETH)、H 2 O 2 和水杨酸(Salicylic acid,SA)4 种逆境胁迫相关信号分子的诱导,且大部分基因响应根腐病病原菌的侵染;在洋葱表皮细胞中瞬时表达亚细胞定位载体,表明PnMYB230和PnWRKY931定位于植物细胞核,PnMAPKK127、Pn PR10-32 0 和PnPRlike20定位于细胞质,PnCHI132、Pn SN12 3,2 4、Pn D EFL12 4、PnDIR125,26和PnOLP13
15、1定位于细胞壁;平板抑菌试验表明 PnCHI1 32、Pn D EFL1 2 4、Pn D IR1 2 5,2 6 、PnOLP1 28、Pn PG IP33、Pn PR10 19、Pn PR10-2 34、PnPR10-320、Pn PRl i k e 2 0 、Pn SN 2 3,2 4 和 PnWRKY931等基因的体外重组蛋白对腐皮镰刀菌(Fusariumsolani)、尖孢镰刀菌(F.oxysporum)和胶孢炭疽菌(Collet-otrichumgloeosporioides)等病原菌的菌丝生长具有抑制作用;除了PnPR10、Pn PR10-2 和PnNAC1在烟草中过表达其他基因
16、,显著提高了烟草对腐皮镰刀菌(Fsolani)的抗性,推测这些基因参与三七对根腐病菌的防卫反应有关。人参PR10是一个多基因家族,PgPR10蛋白有4个亚型,且该基因家族具有组织特异性功能35。此前报道,人参PgPR10蛋白家族基因具有核糖核酸酶活性36 。人参PgPR10-1基因定位于细胞质和细胞核中,在拟南芥中过表达后,植株对尖孢镰刀菌(F.oxysp-orum)等抗性增强。蛋白质相互作用表明PgPR10蛋172白可能在不同细胞间形成多聚复合体,在发育和防御相关机制中发挥作用。人参中PR10的两个同源基因PgPR10-1和PgPR10-2在不同真菌胁迫下具有特定的功能,转录水平上,PgPR
17、10-1对丝核菌(Rhizoctoniasolani)较敏感,PgPR10-2对灰霉菌(Botrytis cinerea)和胶孢炭疽菌(C.gloeosporioides)较敏感37 。Pulla 等38 最初报道PgPR10-2响应对各种非生物和生物胁迫,人参PgPR10-2基因在根中表达丰富,其转录本对多种病原菌和非生物刺激均表现出上调,可能是通过调节核糖核酸酶活性在转基因烟草抗生物和非生物肋迫的防御反应中发挥作用。人参PgPR10-4基因定位于细胞质,且拟南芥的转基因株系抗真菌活性增强,该基因可能通过JA信号通路参与相关的防御反应39。王敏40 的研究同样表明人参PgPR10对人参根腐病
18、、立枯病和黑斑病等多种病害病原菌有抑菌活性。KIM等41首次从人参中分离得到PR4基因家族的基因PgPR4,该基因属于PR4 基因家族的第II类,PgPR4在根中高水平表达且在病菌侵染和盐胁迫下表达上调,表明PgPR4 可能在人参对致病菌的防御反应中发挥作用。孙天霞42 发现转人参防御素基因PgPR12和人参脂质转移蛋白基因PgPR14的拟南芥对尖孢镰刀菌(Foxysporum)和毁灭柱孢菌(llyonectria destructans)的抗性都较野生型植株强。Gayathri等43 发现人参PgPGIP基因响应多种真菌侵染,具有广谱的抑菌活性。有研究表明,含人参PgPGIP1 基因的转基因
19、小麦株系对根腐病和全蚀病的抗性明显增强,说明人参PgPGIP1 基因在抗根腐病中发挥重要作用44。杨珊珊等45 和Yang等46 首次克隆出西洋参根腐病抗性相关基因PqDELLA1,发现该基因响应腐皮镰刀菌(F.solani)的侵染,同时还发现西洋参PqbZIP1转录因子可能介导多种激素信号通路来调节西洋参根腐病抗性。PqERF1 基因可能参与西洋参的抗病防御反应47 。初旸等48 以人参全基因组草图为基础,预测出7 个人参抗病相关基因家族,共1652个基因。尹锐49 鉴定了人参NBS(PgNBS)类抗病基因,为人参抗病育种奠定了基础。2转录组学转录组学是指在整体水平上研究细胞中基因转录情况及
20、转录调控规律,近年来有关药用植物转录组学的研究越来越多,包括不同部位、不同年限、不同品种以及不同处理等转录组学研究,获得了丰富的基因信息,为解析植物代谢调控机制、开发分子标记、品种改良和抗病育种等奠定了坚实的基础50 。特产研究有研究表明,外源茉莉酸(Jasmonicacid,JA)和水杨酸等信号分子处理能够增强植物的抗病性51。通过对腐皮镰刀菌(Fsolani)侵染的茉莉酸甲酯预处理后三七进行转录组分析,探究外源茉莉酸甲酯诱导三七抗腐皮镰刀菌(F.solani)的分子机制,发现茉莉酸甲酯处理可诱导类化合物合成,参与对病原菌的防卫反应,茉莉酸和乙烯信号通路可能协同作用,积极调节三七对腐皮镰刀菌
21、(F solani)的防御反应。另外,WRKY转录因子在植物抵抗病原菌侵染的防御反应中发挥重要作用,三七WRKY基因参与三七对腐皮镰刀菌(Fsolani)侵染的防卫反应30,34,52 。对于锈腐病菌(l.destructans)侵染人参后不同时间点的转录组分析,发现乙烯应激反应、茉莉酸介导的信号通路等次生代谢活动与抗真菌防御反应协同作用,抵御病原菌侵染。锈腐病菌(l.destructans)会影响寄主人参的光合作用以及皂苷合成途径,侵染后期大部分活性氧相关基因参与了病原菌诱导的氧化损伤反应,在中后期还影响人参的细胞周期和蛋白质翻译;同时发现了447 个基因在侵染后表达,这些基因可能对抗病性具
22、有重要意义48,53。在尖孢镰刀菌(F.oxysp-orum)侵染人参的过程中,,PgSODs转录水平被高度诱导,在7 2 h达到最高水平,PgCAT在6 h表达最高,并随着时间的推移逐渐下降,PgGPXs和PgGS的表达量在2 4h增加了3倍,并维持到7 2 h,PgAPX的表达量没有明显的变化54。根据人参和人参锈腐病菌(1.robusta)相互作用过程中的转录组数据,发现真菌细胞在侵染人参细胞后逐渐恢复正常表达水平,而宿主人参细胞中虽然存在一个相对较长的持续防御过程,但是在感染过程中持续受到抑制55。孙天霞42 建立了不同时期、不同部位的人参转录组数据库,时空关联分析筛选出18 个与人参
23、抗胁迫相关的基因。在人参展叶期,茎中的抗胁迫基因表达较多,在参根生长期根部抗肋胁迫基因表达较高,包括PRs和LRR等。张晶晶56 在抗感根腐病人参组织中发现了8 0 96 个差异基因。不论是抗感根腐病的组织还是病原菌侵染前后的组织,在转录水平上,差异表达的基因大都富集在植物一病原体相互作用途径、植物激素信号转导、次级代谢物的生物合成和苯丙烷代谢等途径中,这些通路可能和抵抗病原菌侵染有关,但具体的作用机制还有待进一步研究。3蛋白质组学蛋白质组学是对生命周期中特定时刻的细胞、组织、器官或有机体中存在的蛋白质进行的系统研究57 。2023年第45卷第5期第5期植物蛋白质组学是蛋白质组学的一个分支,植
24、物受到病原菌侵害时,通过改变蛋白质的表达来完成信号的传递,引起防御反应,所以植物的抗病性和蛋白质数量、功能密切相关,通过蛋白质组学技术对差异蛋白进行定性定量分析是研究植物抵抗病原菌侵染作用机制的重要手段之一58 。人参红皮病干扰了碳素代谢,影响了人参营养物质和活性成分的生物合成,降低了人参的成活率和药用价值,红皮病植株较健康植株有137 个差异蛋白,大多与碳素代谢、氧化还原平衡和抗逆性相关,这些差异有助于进一步探究红皮病的致病机理59。孙嘉曼6 0 通过双向电泳技术鉴定外源水杨酸诱导以及人参锈腐病菌(l.destructans)侵染人参的差异表达蛋白,检测到24个丰度变化大、重复性好的差异表达
25、蛋白,经过质谱鉴定得到2 2 种蛋白质,包括防卫反应、能量代谢、信号转导、蛋白合成与代谢和光合作用等相关蛋白。蔡静等6 1,6 2 对抗根腐病及感根腐病的三七根部进行了蛋白质图谱分析,在抗病根系中发现一种分子量为2 8.9 kD的蛋白质,该蛋白对三七根腐病病原菌(F.solani)的生长有抑制作用,可能与抗病性有关,另外还发现了一种可用于三七根腐病免疫诊断工具的单克隆抗体Mab7。4代谢组学代谢组学是系统生物学的组成部分,是对生物体内的所有代谢物进行定性定量分析的技术,同时,可与生物体的生理病理变化进行关联分析,进一步探究其作用机制。它广泛应用于微生物学、农学、食品科学和临床诊断等领域6 3,
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