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中国中医科学院中药资源中心发现人参“艼”调控的分子机制

发布时间:2020-08-30

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8月14日,中国中医科学院中药资源中心黄璐琦院士团队与相关单位共同合作在Journal of Experimental Botany杂志(中科院植物科学1区,TOP期刊,IF5.908)上在线发表了题为“Ginsenosides regulate adventitious root formation in Panax ginseng via a PgCLE45-PgWOX11 regulatory module”的研究论文,该论文以人参为研究对象,发现人参皂苷可以通过PgCLE45-PgWOX11反馈环调控人参不定根的形成,首次从药用植物干细胞调控水平阐释了人参“形-质”合一的分子机制。

国家自然科学基金重大项目“中药道地性研究”中提出,道地药材表现为“优形、优质”。人参为“百草之王”,具有独特的品相特征,是研究道地药材“优形、优质”形成机制的理想材料。

人参是五加科多年生草本植物人参Panax ginseng C.A.Mey的干燥根与根茎,具有大补元气、延年益寿的作用。“艼”为人参根茎上的不定根,传统上认为“枣核艼”是野山参品相的特征之一,对人参“艼”调控的研究有助于解析人参外在品相与内在质量的相关性。

野山参含有丰富的人参皂苷,其自然条件下可以成活几十年甚至上百年,在人参漫长的生命过程中,根茎上的不定根会发生“艼变现象”,即当主根被植食性动物的啃食或真菌侵蚀后,根茎上的不定根可以发育成一个新的主根。因此,不定根发育对人参再生能力至关重要,而植物的再生能力与多功能干细胞及分化子细胞群之间的平衡有关。植物激素CLE(CLAVATA3/Embryo surrounding region-related)多肽可以参与细胞间的信号转导,CLE与WOX(Wuschel-like homeobox)反馈调控在维持植物干细胞增殖与分化间的平衡发挥着关键作用。

通过在人参中建立体外培养体系,发现人参二醇型皂苷Rb1与人参三醇型皂苷Re具有调控人参不定根分支的作用。Rb1可以抑制人参不定根分支,而Re对人参不定根分支具有“低促高抑”现象。对人参不定根中4个CLE基因进行表达分析发现,高浓度Rb1处理后4个PgCLE基因表达均上调,而PgCLE45在低浓度Rb1与Re处理下呈相反的表达模式。采用外源性PgCLE多肽处理人参不定根发现,PgCLE12、PgCLE27与PgCLE45可以显著降低人参皂苷分支数,与Rb1处理的表型一致。PgCLE27和PgCLE45可以通过下调人参皂苷关键合酶基因DDS、CYP716A47和CYP716A53的表达降低Re含量。

为进一步探索人参不定根中CLE-WOX的调控环,对人参5个WOX基因的组织部位表达及对人参皂苷处理的响应情况进行分析,发现PgWOX11在人参的艼上高表达,且响应人参皂苷处理,与PgCLE45表达模式相反。通过亚细胞定位、酵母单杂、凝胶迁移、染色质免疫沉淀实验共同验证了转录因子PgWOX11可以直接结合PgCLE45启动子HD-结合位点。进一步发现转录因子PgWOX11可以激活PgCLE45的转录,而PgCLE45多肽显著降低PgWOX11的表达。以上结果表明,受Re上调的PgWOX11可以通过正向调控PgCLE45参与不定根发育,而PgCLE45反过来降低PgWOX11表达与Re的含量,这说明人参皂苷可以通过PgCLE45-PgWOX11反馈环调节人参不定根分支。

根据以上结果,首次鉴定出了一个新的CLE-WOX反馈环“PgCLE45-PgWOX11”作为人参不定根形成的关键调控机制。研究结果表明人参根型的可塑性与其活性成分具有相关性,为中药材“优形-优质”的统一性提供理论依据,为道地药材形成机制研究提供新思路。

该论文由中国中医科学院中药资源中心、湖北医药学院、中国医学科学院药用植物研究所共同完成。中国中医科学院中药资源中心刘娟副研究员、陈同助理研究员、张杰研究生为本论文的共同第一作者,黄璐琦院士、袁媛研究员和刘娟副研究员为本论文共同通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助。

(中药资源中心 刘娟)

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