铁皮石斛分子遗传学和多组学研究进展

铁皮石斛(Dendrobium officinale)又名黑节草,隶属被子植物门,单子叶植物纲,兰科石斛属,是一种集食药用与观赏性为一体,且极具经济价值的多年生草本植物。由于铁皮石斛种子在自然条件下萌发效率低、生境破坏及采摘无度,野生资源已面临灭绝,1991年被国家列为珍稀濒危植物。《中国药典》记载其有滋阴清热、益胃生津的功效,被誉为"药界大熊猫",具有很高的药用价值。加上近些年大健康产业不断蓬勃发展,铁皮石斛的市场需求逐年增加,这一古老的药食两用植物已成为人们的研究热点。随着基因组测序以及生物信息学等技术的日趋成熟,铁皮石斛在分子生物学研究领域取得了一系列可喜的成绩。综述了近年来国内外有关铁皮石斛在分子遗传学、基因组、转录组、蛋白质组与代谢组方面的研究进展,讨论了这些工作对铁皮石斛研究的重要意义,并对亟待开展的工作进行了展望,旨为铁皮石斛分子育种、功能基因挖掘和活性成分生物合成机制提供理论依据,促进铁皮石斛产业的科学可持续发展。     

铁皮石斛多糖累积规律研究进展(综述)

铁皮石斛为我国名贵中药材,药用价值独特。在铁皮石斛的众多药用成分中,多糖是主要的有效成分。本文综合近年来国内外在铁皮石斛多糖累积规律方面的研究,从种质资源、生理时期与部位、栽培技术及组织培养等方面阐述铁皮石斛多糖累积的影响因素,为铁皮石斛高多糖品种的选育及栽培技术提供资料。     

低温和外源NO对铁皮石斛原球茎多糖合成的影响

以铁皮石斛(Dendrobium officinale)原球茎为材料,研究了低温(4℃)、外源NO(NO供体SNP)以及NO清除剂(cPTIO)和一氧化氮合酶抑制剂(PBITU)对铁皮石斛原球茎中NO含量、蔗糖合成酶(SS)活性、多糖含量以及蔗糖、果糖、葡萄糖等糖含量的影响,以明确低温和內源NO在多糖合成中的关系。结果显示:(1)4℃低温处理下,铁皮石斛原球茎中NO含量显著上升,SS活性升高,蔗糖、果糖和葡萄糖含量增加,多糖含量也得到提高;SNP(0.5mmol·L-1)处理与4℃低温处理具有相似的效果;且低温诱导的铁皮石斛原球茎中SS活性提高和多糖含量的增加时期均在NO大量产生之后、蔗糖的积累早于果糖和葡萄糖。(2)4℃低温+SNP组合处理能够显著提高铁皮石斛原球茎中SS活性、NO含量以及蔗糖、果糖、葡萄糖和多糖含量,它们分别比对照组显著高出了68.04%,96.20%,60.69%、45.64%、66.90%和67.03%,且比低温和SNP单独处理效果都好。(3)PBITU能够部分抑制低温诱发铁皮石斛原球茎中产生NO,抑制率达到77.15%;同时还抑制了低温对铁皮石斛原球茎中SS活性、多糖合成和蔗糖、果糖、葡萄糖积累的促进作用。(4)SNP+cPTIO和4℃+cPTIO处理组中铁皮石斛原球茎SS活性和蔗糖、果糖、葡萄糖、多糖含量及NO水平,且与对照组差异不显著。研究表明,低温和外源NO对铁皮石斛原球茎多糖的合成均具有促进作用,并且低温可诱导铁皮石斛原球茎产生NO,SS活性提高和多糖含量增加与NO产生相关,说明NO是诱导铁皮石斛原球茎多糖合成所必需的信号分子。     

铁皮石斛异胡豆苷合成酶基因STR序列结构及表达模式分析

异胡豆苷合成酶基因STR编码吲哚类生物碱合成的关键酶异胡豆苷合成酶,并参与植物抗逆和花粉发育等生物过程。本研究通过对铁皮石斛异胡豆苷合成酶基因DoSTR的结构及特异性表达进行分析,探究其在铁皮石斛生长发育中的潜在功能。从铁皮石斛基因组数据中获得铁皮石斛异胡豆苷合成酶编码序列(DoSTRs),利用ClustalW软件进行氨基酸序列的比对,利用Gene Structure Display Server 2. 0在线软件分析基因内含子和外显子结构,利用PlantCARE数据库分析基因启动子区元件;基于转录组数据和qRT-PCR对铁皮石斛根茎叶组织、共生与非共生生长的种子和根、冷诱导和茉莉酸甲酯诱导后叶片中的STR家族基因的表达情况进行检测和分析,从铁皮石斛基因组中预测获得10个STR成员,具有典型的"Str_synth"结构域,且启动子区存在大量顺式作用元件,涉及到茉莉酸甲酯响应和低温响应等多个生物学过程;DoSTRs基因家族不同成员表达模式存在较大差异,DoSTR3、DoSTR7、DoSTR10在叶片中的表达量高于茎和根中,DoSTR9和DoSTR2在铁皮石斛种子萌发时显著高表达,DoSTR5和DoSTR10在茉莉酸甲酯处理早期,具有明显的上调表达趋势,推测STR家族可能参与不同的生物学过程,研究结果为深入探究铁皮石斛STR家族基因奠定了基础。     

四种添加物对铁皮石斛原球茎生长及多糖含量的影响

为探讨铁皮石斛(Dendrobium officinale)培养基中添加物的作用,在1/2MS培养基中加入椰肉、甘蔗渣、香蕉皮和麦麸等4种添加物,研究不同浓度添加物和培养时间对原球茎生长和多糖含量的影响。结果表明,4种添加物对铁皮石斛原球茎的增殖、分化和多糖含量均有一定影响,其中添加15.0 g L–1甘蔗渣,培养60 d能明显促进铁皮石斛原球茎的增殖与分化(146.1%);而添加20.0 g L–1甘蔗渣,培养40 d能显著提高铁皮石斛原球茎多糖含量(50.4%)。这说明甘蔗渣是培养铁皮石斛原球茎的适宜添加物,既能促进铁皮石斛原球茎的生长发育,还能降低生产成本。     

3种石斛多糖及其降血糖活性的比较研究

天然多糖安全、低毒,是潜在糖尿病治疗药物。为寻找活性高、含量高的植物多糖资源,本文从多糖得率、结构和降血糖活性三个方面,对云南地方药材大苞鞘石斛、铁皮石斛和金钗石斛进行比较。通过热水浸提、透析和层析得到多糖,然后用糖尿病小鼠模型测定降血糖活性。结果表明大苞鞘石斛的多糖得率高(14.1%,DW),且分子量较小,其单糖组成与铁皮石斛多糖相似;降血糖效果强于铁皮石斛和金钗石斛多糖。大苞鞘石斛可作优良的亲本,为降血糖的石斛多糖资源开发提供育种资源。     

铁皮石斛尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因的克隆与分析

目的:研究尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase)在铁皮石斛不同组织中的表达情况,探讨其与石斛多糖累积的关系。方法:根据铁皮石斛原球茎转录组数据中的DoUGPase1序列设计引物,并利用RACE技术克隆该基因;用生信分析软件预测其蛋白结构,并进行系统发育分析;利用实时荧光定量PCR(q RT-PCR)技术研究该基因在铁皮石斛不同年份,不同组织中的表达。结果:通过RACE技术得到1个3054 bp基因,命名为DoUGPase1,其ORF长1530 bp,编码510个氨基酸残基,与油棕(Elaeis guineensis)和波斯枣(Phoenix dactylifera)有一定的同源性,且DoUGPase1在3年生的植株中相对表达量整体较高(P0.05)。结论:我们预测在铁皮石斛的生长发育过程中DoUGPase1基因与多糖累积的活跃程度成正比例。     

氮源和真菌诱导子对铁皮石斛原球茎悬浮培养的影响

利用正交实验设计研究不同种类和浓度的氮源对铁皮石斛原球茎生长的影响,利用完全随机实验设计研究不同真菌诱导子对铁皮石斛原球茎生长和多糖积累的影响.结果表明硝态氮促进铁皮石斛原球茎鲜重和干重的增加( P ＜0.05);铵态氮促进铁皮石斛原球茎鲜重增加( P ＜0.05).无论鲜重还是干重,硝态氮和铵态氮的影响均不存在互作,最佳组合为:67-V培养液 100 mg/L (NH4)2SO4 800 mg/L KNO3 30 g/L蔗糖 200 g/L马铃薯提取汁.F检验的结果表明,14种真菌诱导子对铁皮石斛原球茎生物量的增加(鲜重与干重)均无显著性影响( P ＞0.05).但与对照铁皮石斛原球茎的多糖含量相比,真菌诱导子g6、g14、g5、g4处理可使其多糖含量分别提高14%、9%、6%、4%.本研究获得了有利于铁皮石斛原球茎生长的硝态氮和铵态氮的最佳搭配方案以及有利于铁皮石斛原球茎积累多糖的四种真菌诱导子,表明通过液体悬浮培养生产铁皮石斛原球茎及其多糖成分具有较好的开发应用前景.     

温度对铁皮石斛生长及生理特性的影响

通过不同温度下的控制实验,研究了铁皮石斛光合作用与生长对温度的响应,以期为铁皮石斛的栽培提供理论依据。温度对铁皮石斛的光合速率（Pn）有明显影响,30℃处理的植株具有最高的饱和光合速率（Pmax）,其较高的光合速率与RuBP电子传递速率与羧化速率间相对平衡有关。温度对铁皮石斛茎的生长及多糖含量有明显影响,20℃处理的石斛多糖含量显著性的高于其他两个处理,而茎长、茎节数、茎鲜重等则是在30℃下最高。结果表明,30℃的温度对铁皮石斛的光合作用较为适宜,但在20℃条件下植株具有更高的多糖含量。     

酶法提取铁皮石斛多糖工艺优化及对挥发性成分的影响研究

铁皮石斛具有重要的药用价值,但其资源有限,因此对其充分开发和利用具有重要的意义。本文利用α-L-鼠李糖苷酶辅助提取铁皮石斛多糖,通过对酶解温度、酶解时间及加酶量三个因素进行优化,提高铁皮石斛多糖提取率;结果显示,在酶解温度为40℃、酶解时间为1 h、加酶量为2.5%时,多糖提取率为38.4%,而不加酶处理多糖提取率仅为21.7%,酶法处理大大增加了铁皮石斛的多糖提取率。同时,运用顶空固相微萃取技术结合气相色谱质谱联用仪(HS-SPME-GC-MS)分析比较α-L-鼠李糖苷酶对铁皮石斛挥发性成分的影响;GC-MS分析表明,铁皮石斛加酶处理前后共发现31种挥发性成分,主要成分均为己醛、1-辛烯-3-醇、异薄荷醇和3-辛烯-2-酮,并且醛类化合物在加酶处理前后的样品中相对含量均最高,且加酶处理后产生6种新的挥发性成分。该研究结果表明α-L-鼠李糖苷酶的使用可显著增加对铁皮石斛多糖提取率,并为铁皮石斛挥发性成分的研究和开发利用提供一定的参考依据。     

铁皮石斛WOX转录因子的鉴定和分析

为了解铁皮石斛(Dendrobium officinale) WOX转录因子的功能,采用全基因组分析技术对铁皮石斛WOX家族成员进行鉴定,并进行生物信息学和表达模式分析。结果表明,铁皮石斛基因组中有9个WOX转录因子(DoWOX 1～DoWOX 9),大部分的DoWOXs含有2～3个外显子,启动子含有与激素诱导、逆境胁迫和生长发育有关的顺式作用元件。qPCR分析表明,DoWOX1、DoWOX2、DoWOX3、DoWOX4和DoWOX9在类原球茎中的表达量最高,DoWOX4在小花蕾中表达最高,随着花的发育,表达呈现下降趋势。此外,DoWOX3、DoWOX7和DoWOX9在合蕊柱上的表达量最高,而DoWOX4在唇瓣的表达量最高。因此,DoWOXs可能参与调控铁皮石斛的生长发育,且可能在维持类原球茎状态和花的发育中起重要作用。     

菌根真菌Mycena sp.对铁皮石斛生长和多糖化学性质的影响

双重培养条件下菌根真菌Mycena sp.(M2)能使铁皮石斛组培苗根系发达,根的分支增多.本文研究生产条件下M2对铁皮石斛生长及多糖化学性质的影响,并通过正交实验优化M2菌剂的用法和用量.研究发现,菌根栽培组(T)在栽培翌年新枝大量发生的时间比对照组(CK)提前了3个月;栽培19个月T组的苗数量比CK组多38.7%(P0.01);全株干重和茎干重分别是CK组的2.69和2.87倍(P0.01);此时T组和CK组的多糖含量和多糖化学性质均符合药典标准,但菌根栽培延长了多糖类成分质量形成的时间.正交实验优化的M2菌剂施用方法为:栽培用菌量1.5 g/丛,每半年补充施用菌剂一次,补菌量1.5 g/丛.用该方法栽培铁皮石斛16个月,茎干重收获量最高,为135.2 g/m2.以上结果证明,菌株M2能大幅度提高铁皮石斛的茎干重,同时保持多糖的化学性质不受影响.据此认为将菌株M2用于铁皮石斛的大规模人工栽培具有良好的应用前景.     

铁皮石斛DoWRKY6转录因子基因的克隆与分析

目的:植物生长发育由多种转录因子调控,探索WRKY转录因子调控铁皮石斛组织生长发育机理。方法:根据铁皮石斛原球茎转录组数据中的WRKY6序列设计引物,并利用RACE技术克隆该基因;用生信分析软件预测其蛋白结构,并进行系统发育分析;利用实时荧光定量PCR(q RT-PCR)技术研究该基因在铁皮石斛幼苗根、茎、叶等组织中的表达。结果:通过RACE技术得到1个1,238bp的Ⅱ类WRKY转录因子基因,命名为DoWRKY6,其ORF长1,017 bp,编码339个氨基酸残基,与梅[PrmuWRKY27(XM_008236601.1)]及大豆[GlmaWRKY27(XM_003555347.3)]有较近的亲缘关系,且DoWRKY6在茎中的相对表达量最大。结论:我们预测在铁皮石斛的生长发育过程中DoWRKY6基因对根、叶、茎的调控作用依次增强,表明DoWRKY6与已发表的铁皮石斛WRKY基因在组织的差异性表达上有较大差别,这对丰富WRKY家族对铁皮石斛的生长发育调控机制提供更多依据。     

铁皮石斛抗阿司匹林诱导急性胃黏膜损伤活性组分筛选及作用研究

筛选铁皮石斛抗阿司匹林诱导急性胃黏膜损伤的活性组分,并探讨其抗胃粘膜损伤的作用。体外采用阿司匹林诱导人胃黏膜上皮GES-1细胞氧化应激损伤,铁皮石斛各组分预保护GES-1细胞24 h,MTS法检测细胞存活率,并通过比色法测定细胞上清液中乳酸脱氢酶LDH含量;体内采用阿司匹林建立SD大鼠急性胃黏膜损伤模型,灌胃给予铁皮石斛各组分,连续给药7 d后以溃疡指数评价铁皮石斛各组分抗阿司匹林致胃黏膜损伤作用,并通过测定胃液量、总酸度、胃蛋白酶活力、血清中一氧化氮(NO)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-6(IL-6)以及胃组织中超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、前列腺素E2(PGE2),分析其可能的作用机制。结果表明,与模型组比较,铁皮石斛多糖组受损细胞活力显著升高,细胞上清液LDH含量显著降低,其它各组分细胞存活率及细胞上清液LDH含量与模型组无显著性差异;与模型组比较,铁皮石斛多糖组分显著降低胃溃疡模型大鼠的胃溃疡指数,抑制胃液分泌和胃酸含量及降低胃蛋白酶活性;与模型组比较,铁皮石斛多糖各组大鼠血清NO明显升高,TNF-α、IL-6显著降低,铁皮石斛多糖各组大鼠胃组织MDA水平明显降低,SOD、PGE2水平显著升高。铁皮石斛多糖有显著的抗阿司匹林诱导胃黏膜损伤作用。     

黍黑孢菌在中国的发现

铁皮石斛多糖有明显提高肌体免疫机能、抗衰老、刺激唾液分泌、抗疲劳、耐缺氧等方面的作用,是名贵中药材。由于对铁皮石斛的过度采掘,目前已使野生石斛资源已濒临枯竭,因此,我国许多地方开展人工石斛栽培,并建立了具有一定规模的栽培基地。人工栽培铁皮石斛的方法主要是采用无     

铁皮石斛多糖对高脂饮食小鼠肠黏膜结构及菌群的影响

为考察铁皮石斛多糖对高脂饮食小鼠肠黏膜屏障的影响,采用水提醇沉法提取铁皮石斛多糖,联合高脂饲料给予小鼠8周后观察肠黏膜结构及肠黏膜菌群的变化。结果显示高脂饮食显著破坏了肠黏膜结构,表现为肠黏膜萎缩,上皮细胞脱落并伴有炎性渗出,Corynebacterium_1及Staphylococcus等与感染及炎症相关的菌属大量增殖。铁皮石斛多糖对肠黏膜结构有较好的保护作用,并可减少Corynebacterium_1的丰度,同时提高肠黏膜共生菌Candidatus_Arthromitus的丰度,促进了Muribaculaceae、Bacteroides、Lachnospiraceae_NK4A136_group等碳水化合物代谢、短链脂肪酸产生相关菌的增殖。研究表明铁皮石斛多糖对肠黏膜屏障的保护作用或与其维持肠黏膜结构完整,调节肠黏膜菌群组成及促进碳水化合物代谢,生成短链脂肪酸有关。     

铁皮石斛多糖对高脂饮食小鼠肠黏膜结构及菌群的影响

为考察铁皮石斛多糖对高脂饮食小鼠肠黏膜屏障的影响,采用水提醇沉法提取铁皮石斛多糖,联合高脂饲料给予小鼠8周后观察肠黏膜结构及肠黏膜菌群的变化。结果显示高脂饮食显著破坏了肠黏膜结构,表现为肠黏膜萎缩,上皮细胞脱落并伴有炎性渗出,Corynebacterium_1及Staphylococcus等与感染及炎症相关的菌属大量增殖。铁皮石斛多糖对肠黏膜结构有较好的保护作用,并可减少Corynebacterium_1的丰度,同时提高肠黏膜共生菌Candidatus_Arthromitus的丰度,促进了Muribaculaceae、Bacteroides、Lachnospiraceae_NK4A136_group等碳水化合物代谢、短链脂肪酸产生相关菌的增殖。研究表明铁皮石斛多糖对肠黏膜屏障的保护作用或与其维持肠黏膜结构完整,调节肠黏膜菌群组成及促进碳水化合物代谢,生成短链脂肪酸有关。     

铁皮石斛SPL膜结合(STM)转录因子的全基因组鉴定及表达分析

SPL转录因子广泛参与植物生长发育、胁迫响应等过程。目前,没有关于铁皮石斛SPL膜结合(SPL with transmembrane motif)转录因子即STM转录因子的研究。为了探究STM转录因子在铁皮石斛生长发育及胁迫响应等方面的作用,该文在铁皮石斛全基因组水平鉴定出4个STM转录因子,并对DoSTM基因家族成员进行生物信息学分析,又利用逆转录PCR研究了DoSTM在不同组织部位及不同逆境处理下的表达情况。结果表明:(1)DoSTM1-4为亲水蛋白,均具有SBP保守结构域和一些激素响应位点。(2)4个DoSTM在根茎叶中均有表达,DoSTM2在叶中的相对表达量最低; DoSTM1/3/4的相对表达水平均无明显差异。(3)DoSTM1-4在低温、高温、干旱胁迫下的相对表达水平都有显著变化,DoSTM1/3/4的表达量降低最为明显,故推测DoSTM与植物体内激素响应、温度变化响应及抗旱性有关。这些结论为后续进一步开展铁皮石斛STM转录因子的研究提供了参考。     

植物激素处理诱导的转录组改变揭示铁皮石斛β葡糖苷酶在多糖合成中的关键作用

目的 铁皮石斛是一种名贵的中草药,药用历史悠久,其药用活性成分主要包括多糖、类黄酮和生物碱。这些成分的种类和含量通常受到诸多环境因素的影响。组织培养中植物激素的广泛使用促进了许多兰科植物的大量快繁,然而植物激素对活性成分积累的影响及其作用机制尚待进一步深入研究。方法 本文利用铁皮石斛组织培养常用的两种植物激素NAA和（/或）6-BA处理铁皮石斛幼苗,测定活性化合物含量并对相应材料进行转录组测序分析。结果 激素处理影响多糖、生物碱和类黄酮等活性化合物的积累水平,同时引起较多的差异基因表达。统计分析表明,6-BA较NAA处理引起更多的转录本改变,β葡糖苷酶编码基因BGLU表达与多糖积累密切相关。进一步功能研究表明,包括激素种类、处理浓度、处理时间和处理材料生长时期等因素均能明显影响BGLU表达及相应多糖积累水平,从而在分子层面部分回答了一个长期困扰人们的关键问题,即为什么药材经组织培养后活性成分相对不稳定。结论 本研究明确提出了BGLU在激素处理后多糖的积累过程中有重要调控作用。     

不同产地铁皮石斛主要成分及甲醇提取物HPLC指纹图谱研究

本文采用紫外分光光度法、高效液相色谱法(HPLC)测定铁皮石斛中总黄酮、多糖、柚皮素、石斛酚的含量,同时运用HPLC法建立霍山铁皮石斛及其他产地铁皮石斛甲醇提取物HPLC指纹图谱并聚类分析。实验结果显示不同产地铁皮石斛的主要化学成分含量存在差异,5批霍山铁皮石斛的总黄酮、柚皮素、石斛酚含量较高,多糖含量较低。建立了霍山铁皮石斛的共有指纹图谱模式,5批霍山铁皮石斛具有极高的相似度,在92.6%~94.8%之间,浙江临安、浙江乐清、江苏盐城、云南昆明所产的铁皮石斛相似度在17.5%~41.5%之间。5批来自安徽霍山的铁皮石斛共有峰总面积较高,为9 827.40~14 102.28。其他产地铁皮石斛的共有峰面积在730.27~4 206.20之间,明显低于霍山铁皮石斛。聚类分析结果可分为两大类,安徽霍山为一类,其他产地为一类。霍山铁皮石斛与其他产地铁皮石斛存在一定差异,且小分子成分含量较高。上述结果为进一步研究霍山铁皮石斛化学成分提供参考,为铁皮石斛品质鉴别、质量控制及资源的综合利用提供实验依据。