引种西洋参根形和人参皂苷变异机制

西洋参（Panacis Quinquefolii Radix）为五加科人参属植物西洋参（Panax quinquefolium L.）的干燥根，具有补气养阴、清热生津之功效。西洋参原产北美，我国于20世纪70年代引种成功，目前已成为全球西洋参三大主产国之一。引种驯化导致西洋参的“优形优质”特征显著改变：与野生西洋参相比，国产栽培西洋参的侧根数减少，人参皂苷Rg1含量降低。  近日，中国中医科学院袁媛/黄璐琦团队与中国农业科学院刘允军团队在Plant Biotechnology Journal杂志发表题为“Comparisons of wild and cultivated American ginseng (Panax quinquefolius L.) genomes provide insights into changes in root growth and metabolism during domestication”的文章，该论文在完成野生西洋参全基因组测序的基础上，比较了野生和栽培西洋参群体结构差异，并揭示了细胞膨胀蛋白调控根形和人参皂苷变异的分子机制。   在人参属植物中，西洋参和人参根型相似，与三七相比侧根较少。为阐明西洋参根型发育的机制，该论文首先通过比较基因组分析，发现与三七相比，西洋参和人参中1,3-β-葡聚糖合酶（1,3-β-glucan synthase）、纤维素合酶（cellulose synthase）、莽草酸羟基肉桂酰转移酶（shikimate O-hydroxycinnamoyl transferase）和细胞膨胀蛋白（expansin）等与细胞壁发育相关的基因家族显著扩张，分别增加了28、29、9和14个成员，且根、叶比较转录组分析结果显示上述扩张基因在西洋参根组织中高表达，推测细胞壁发育是调控西洋参根系形态建成的关键因子。   为探寻野生西洋参和栽培西洋参是否存在群体结构差异，收集原产北美的野生西洋参26株和国产引种栽培西洋参30株进行重测序。系统进化树、主成分分析和群体结构分析均能较好区分野生西洋参和栽培西洋参群体。利用选择清除分析在栽培群体中筛选到397个受选择基因，结合根、叶比较转录组分析发现其中21个基因在西洋参根中显著高表达，并注释到包括Expansin-like细胞膨胀蛋白基因（Pq17G51776）和β-半乳糖苷酶基因（Pq06G18190）等与植物细胞壁发育相关的受选择基因。  为验证细胞膨胀蛋白Expansin-like亚家族参与调控西洋参根系形态建成的机制，首先对西洋参细胞膨胀蛋白基因家族进行鉴定。在西洋参基因组中共鉴定到65个Expansin基因，其中44个基因属于α-expansin亚家族（EXPAs），14个基因属于β-expansin亚家族（EXPBs），2个基因属于expansin-like A亚家族 （EXLAs），5个基因属于expansin-like B亚家族（EXLBs）。根、叶比较转录组表明，多数西洋参膨胀蛋白基因在根中的表达水平显著高于叶片组织，表明Expansin基因家族在调控西洋参根系生长发育中的重要性。   为进一步探究Expansin-like亚家族基因调控西洋参根系生长发育的功能，分别构建7个西洋参expansin-like基因的过表达(overexpression, OE)和RNA干扰(RNA interference, RNAi)载体： 包括PqEXLA1、PqEXLA2和PqEXLB1-PqEXLB5。利用基因枪法依次获得相应载体的3个独立转基因西洋参愈伤组织系。   与野生西洋参愈伤组织相比，转基因PqEXLA1-OE和PqEXLB1- OE株系的细胞体积显著增大（p < 0.05），转基因PqEXLA1-RNAi和PqEXLB1- RNAi株系的细胞体积显著减小（p < 0.05），表明PqEXLA1和PqEXLB1均具有促进细胞壁扩张和细胞膨胀的功能。其中转基因PqEXLA1-OE和PqEXLA1-RNAi株系愈伤组织的生长速率分别较野生型显著升高38.7%和显著降低26.7%，表明PqEXLA1可通过促进细胞膨胀提高西洋参愈伤组织的生长速率。转基因PqEXLB1-OE愈伤组织中细胞的细胞壁厚度显著增加120.2%，而PqEXLB1- RNAi株系愈伤组织中细胞的细胞壁厚度显著降低，表明PqEXLB1介导细胞壁厚度的调节。   进一步采用UPLC-MS/MS和荧光实时定量PCR分别检测转基因愈伤组织和野生愈伤组织中人参皂苷Rg1含量和Rg1生物合成关键基因的表达水平。结果显示，与野生型愈伤组织相比，PqEXLA1-OE和PqEXLB1-OE株系愈伤组织中Rg1的含量显著降低，而PqEXLA1-RNAi和PqEXLB1-RNAi株系愈伤组织中Rg1的含量显著增加，表明细胞膨胀蛋白PqEXLA1、PqEXLB1的表达与人参皂苷Rg1的积累呈现拮抗关系。   对PqEXLA1-RNAi 株系中人参皂苷Rg1生物合成关键基因的表达水平进行重点分析，结果显示一个dammarenediol合成酶基因【打印本页】【关闭窗口】