多组学研究揭示了人参对原人参二醇类人参皂苷胁迫的阶段特异性响应机制

《BMC Plant Biology》：Multi-omics reveals stage-specific mechanisms of Ginseng response to protopanaxadiol-type ginsenosides stress

　　

摘要

背景

人参由于原人参二醇型人参皂苷的自身毒性，面临连续种植的障碍。尽管已有针对个别人参皂苷的研究报道，但这些化合物在不同生长阶段的综合影响仍需进一步探讨。

方法

我们采用多组学方法来阐明人参在原人参二醇型人参皂苷胁迫下的阶段特异性分子机制。在四个生长阶段，用不同浓度（10–150 mg/L）的原人参二醇型人参皂苷处理植物，随后进行转录组学分析、广泛靶向代谢组学分析以及以植物激素为目标的代谢组学分析，并结合形态和生理评估。

结果

用100 mg/L原人参二醇型人参皂苷处理的人参植株表现出阶段特异性的应激反应。转录组学分析显示，在发育过程中有超过20,000个基因的表达发生差异（P < 0.05）。在与黄酮类化合物生物合成相关的途径中观察到了显著的变化，从而鉴定出31种关键差异丰富的代谢物和22个关键酶基因。此外，还鉴定出47个参与Zeatin生物合成和植物激素信号转导途径的差异表达基因，这些基因可能调节8种植物激素（脱落酸、茉莉酸、茉莉酰-L-异亮氨酸、水杨酸和细胞分裂素）的差异积累。这些分子反应可能与人参植株对原人参二醇型人参皂苷胁迫的增强抗性和适应性有关。基于加权基因共表达网络（WGCNA）分析，发现了与黄酮类代谢物和植物激素相关的共表达模块，为这些途径之间的协调调控提供了网络层面的支持。差异表达基因与差异丰富代谢物之间存在强相关性，表明存在阶段依赖性的协调调控网络。

结论

原人参二醇型人参皂苷在人参中触发了阶段特异性的调控网络，尤其是在开花期。黄酮类化合物生物合成和植物激素信号传导途径的同步激活有助于植物对自身毒性的适应性反应。这些发现为解决人参连续种植的障碍提供了初步见解，并为研究植物的应激响应机制提供了研究策略。