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中國中醫科學院中藥資源中心發現人參“艼”調控的分子機制

發布時間:2020-08-30

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8月14日,中國中醫科學院中藥資源中心黃璐琦院士團隊與相關單位共同合作在Journal of Experimental Botany雜志(中科院植物科學1區,TOP期刊,IF5.908)上在線發表了題為“Ginsenosides regulate adventitious root formation in Panax ginseng via a PgCLE45-PgWOX11 regulatory module”的研究論文,該論文以人參為研究對象,發現人參皂苷可以通過PgCLE45-PgWOX11反饋環調控人參不定根的形成,首次從藥用植物干細胞調控水平闡釋了人參“形-質”合一的分子機制。

國家自然科學基金重大項目“中藥道地性研究”中提出,道地藥材表現為“優形、優質”。人參為“百草之王”,具有獨特的品相特征,是研究道地藥材“優形、優質”形成機制的理想材料。

人參是五加科多年生草本植物人參Panax ginseng C.A.Mey的干燥根與根莖,具有大補元氣、延年益壽的作用?!捌J”為人參根莖上的不定根,傳統上認為“棗核艼”是野山參品相的特征之一,對人參“艼”調控的研究有助于解析人參外在品相與內在質量的相關性。

野山參含有豐富的人參皂苷,其自然條件下可以成活幾十年甚至上百年,在人參漫長的生命過程中,根莖上的不定根會發生“艼變現象”,即當主根被植食性動物的啃食或真菌侵蝕后,根莖上的不定根可以發育成一個新的主根。因此,不定根發育對人參再生能力至關重要,而植物的再生能力與多功能干細胞及分化子細胞群之間的平衡有關。植物激素CLE(CLAVATA3/Embryo surrounding region-related)多肽可以參與細胞間的信號轉導,CLE與WOX(Wuschel-like homeobox)反饋調控在維持植物干細胞增殖與分化間的平衡發揮著關鍵作用。

通過在人參中建立體外培養體系,發現人參二醇型皂苷Rb1與人參三醇型皂苷Re具有調控人參不定根分支的作用。Rb1可以抑制人參不定根分支,而Re對人參不定根分支具有“低促高抑”現象。對人參不定根中4個CLE基因進行表達分析發現,高濃度Rb1處理后4個PgCLE基因表達均上調,而PgCLE45在低濃度Rb1與Re處理下呈相反的表達模式。采用外源性PgCLE多肽處理人參不定根發現,PgCLE12、PgCLE27與PgCLE45可以顯著降低人參皂苷分支數,與Rb1處理的表型一致。PgCLE27和PgCLE45可以通過下調人參皂苷關鍵合酶基因DDS、CYP716A47和CYP716A53的表達降低Re含量。

為進一步探索人參不定根中CLE-WOX的調控環,對人參5個WOX基因的組織部位表達及對人參皂苷處理的響應情況進行分析,發現PgWOX11在人參的艼上高表達,且響應人參皂苷處理,與PgCLE45表達模式相反。通過亞細胞定位、酵母單雜、凝膠遷移、染色質免疫沉淀實驗共同驗證了轉錄因子PgWOX11可以直接結合PgCLE45啟動子HD-結合位點。進一步發現轉錄因子PgWOX11可以激活PgCLE45的轉錄,而PgCLE45多肽顯著降低PgWOX11的表達。以上結果表明,受Re上調的PgWOX11可以通過正向調控PgCLE45參與不定根發育,而PgCLE45反過來降低PgWOX11表達與Re的含量,這說明人參皂苷可以通過PgCLE45-PgWOX11反饋環調節人參不定根分支。

根據以上結果,首次鑒定出了一個新的CLE-WOX反饋環“PgCLE45-PgWOX11”作為人參不定根形成的關鍵調控機制。研究結果表明人參根型的可塑性與其活性成分具有相關性,為中藥材“優形-優質”的統一性提供理論依據,為道地藥材形成機制研究提供新思路。

該論文由中國中醫科學院中藥資源中心、湖北醫藥學院、中國醫學科學院藥用植物研究所共同完成。中國中醫科學院中藥資源中心劉娟副研究員、陳同助理研究員、張杰研究生為本論文的共同第一作者,黃璐琦院士、袁媛研究員和劉娟副研究員為本論文共同通訊作者。該研究受到了國家自然科學基金和中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助。

(中藥資源中心 劉娟)

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