鐵皮石斛功能基因研究概況

王胤驍 何鵬飛 梁志慶

摘要： 鐵皮石斛是我國傳統(tǒng)名貴藥材，近些年，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鐵皮石斛在分子方面的研究快速發(fā)展，在分子鑒定、遺傳多樣性、功能基因克隆分析等方面并取得了一定進(jìn)展。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，綜述鐵皮石斛功能基因在生長發(fā)育調(diào)控、次生代謝產(chǎn)物合成和抗環(huán)境脅迫三個方面的研究進(jìn)展，以期為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究及鐵皮石斛的科學(xué)、有效、合理利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 鐵皮石斛;功能基因

中圖分類號：R282?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? 文章編號：1007-2349（2021）08-0088-03

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）系蘭科石斛屬多年生植物，為我國傳統(tǒng)名貴藥材，以新鮮或干燥的莖入藥，在《神農(nóng)本草經(jīng)》和《本草綱目》中均被列為上品，具有滋陰清熱、養(yǎng)陰生津、溫胃明目、補(bǔ)腎益力等功效。

目前，鐵皮石斛已經(jīng)在種質(zhì)資源[1]、化學(xué)成分及藥理作用[2-4]、組織培養(yǎng)[5]、質(zhì)量控制[6]等研究方面取得了豐碩成果。近些年，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鐵皮石斛在分子方面的研究快速發(fā)展，在分子鑒定、遺傳多樣性、功能基因克隆分析等方面并取得了一定進(jìn)展。

鐵皮石斛功能基因研究主要集中在3個方面：生長發(fā)育調(diào)控功能基因、次生代謝產(chǎn)物合成功能基因和抗環(huán)境脅迫功能基因。筆者從這三個方面對近年來鐵皮石斛功能基因研究進(jìn)展進(jìn)行歸納和總結(jié)，以期為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究及鐵皮石斛的科學(xué)、有效、合理利用提供理論依據(jù)。

1 鐵皮石斛生長發(fā)育調(diào)控功能基因研究

蛋白質(zhì)可逆磷酸化是真核生物體調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的基礎(chǔ)機(jī)制，而蛋白激酶（protein kinases，PK）和蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）是蛋白質(zhì)可逆磷酸化的關(guān)鍵調(diào)控酶，在植物體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和生理代謝過程中起重要調(diào)節(jié)作用。劉亮亮等[7]通過對鐵皮石斛蛋白磷酸酶2A基因（PP2A）進(jìn)行催化亞基基因克隆、生物信息學(xué)、表達(dá)模式等研究，發(fā)現(xiàn)DoPP2A在根中發(fā)揮一定生理作用。張娜等[8]的研究發(fā)現(xiàn)DoPP2C1基因具有組織表達(dá)特異性，其轉(zhuǎn)錄本在石斛根和莖中表達(dá)量較高，推測該基因通過特異的分子表達(dá)機(jī)制參與植物組織的生長發(fā)育。

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ATP-binding cassette transporters）是一類普遍存在于原核生物和真核生物中的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其轉(zhuǎn)運(yùn)功能強(qiáng)大，參與植物激素、金屬離子、脂質(zhì)、次生代謝物和外源物質(zhì)的運(yùn)輸密切相關(guān)[9]。李依民等[10]研究發(fā)現(xiàn)2個F家族ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在石斛葉中表達(dá)豐度較高，推測其可能在葉片中發(fā)揮一定的生物學(xué)功能。閻波等[11]初步鑒定了ABCA-ABCI等7個亞家族的88個鐵皮石斛ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些蛋白主要定位在細(xì)胞質(zhì)膜、液泡及高爾基體上。其中，ABCB和ABCG蛋白家族部分成員在種子接菌共生萌發(fā)過程中顯著差異上調(diào)表達(dá)，預(yù)測這些蛋白在鐵皮石斛種子萌發(fā)及與微生物相互作用過程中發(fā)揮重要作用。

李歡等[12]用鐵皮石斛過氧化氫酶基因DoCAT1cDNA進(jìn)行生物信息和表達(dá)分析，實(shí)驗qPCR表達(dá)分析顯示，DoCAT1在植物器官中的表達(dá)存在顯著的差異，根中具有高表達(dá)特征，推測該基因可能參與植物石斛根的生長發(fā)育調(diào)控或生理響應(yīng)過程。

范靜等[13]通過克隆鐵皮石斛硫氧還蛋白超家族基因（Thiore-doxin like 2，DoTrxL2）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)DoTrxL2在鐵皮石斛原球莖形成早期表達(dá)量較高，表明該基因?qū)υ蚯o形成有促進(jìn)作用;而在種子和花中表達(dá)量高，表明該基因?qū)χ参锝M織的生殖發(fā)育具有調(diào)控作用。

張崗等[14]從鐵皮石斛中克隆得到轉(zhuǎn)錄因子基因DoWRKY3，該基因具有組織表達(dá)特異性，在鐵皮石斛根和葉中相對表達(dá)量較高。

李依民等[15]從鐵皮石斛中克隆到4個CIPK基因cDNA全長，研究表明4個CIPKs基因是鐵皮石斛中新鑒定的類鈣調(diào)磷酸酶B蛋白互作蛋白激酶編碼基因，推測這4個基因通過不同的表達(dá)和作用方式參與石斛營養(yǎng)器官的生長發(fā)育過程。

劉思思等[16]首次克隆得到1個赤霉素3-氧化酶基因（DoGA3ox）的全長cDNA，通過研究發(fā)現(xiàn)該基因在鐵皮石斛種子萌發(fā)中起著重要調(diào)控作用。

2 鐵皮石斛次生代謝產(chǎn)物合成功能基因研究

多糖是鐵皮石斛的主要次生代謝產(chǎn)物，也是鐵皮石斛的主要有效成分。宋爽[17]通過進(jìn)行鐵皮石斛全基因組糖基轉(zhuǎn)移酶分析，克隆得到鐵皮石斛β-1，3葡聚糖合成酶基因部分序列，為研究多糖代謝途徑提供參考。呂楠等[18]克隆尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）基因，推測該基因與多糖累積的活躍程度成正比例。

李依民等[19]利用RACE技術(shù)首次從鐵皮石斛中分離到一個己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因cDNA全長DoHT1，并發(fā)現(xiàn)DoHT1是編碼鐵皮石斛己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的新基因。

苗小榮等[20]克隆鐵皮石斛中性/堿性轉(zhuǎn)化酶（NI）家族基因DoNI2，該基因在鐵皮石斛蔗糖代謝途徑中起重要作用。

沈王琴等[21]克隆鐵皮石斛倍半萜合成酶基因（DoSES），并分析其在鐵皮石斛不同組織中的表達(dá)差異以及在信號分子茉莉酸甲酯（MeJA）誘導(dǎo)下的表達(dá)模式，為進(jìn)一步研究調(diào)控鐵皮石斛萜類代謝奠定了基礎(chǔ)。

3 鐵皮石斛抗環(huán)境脅迫功能基因研究

鈣依賴蛋白激酶（CDPK）是一類能響應(yīng)低溫等非生物脅迫的蛋白激酶。盛況等[22]研究發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛 DoCDPK6主要在葉片中表達(dá)，其次是莖和根;在4℃低溫、脫落酸和NaCl脅迫處理后，DoCDPK6基因表達(dá)量均有不同程度的上調(diào)，推測DoCDPK6基因在低溫等非生物脅迫中起到調(diào)控作用。汪園等[23]采用PCR技術(shù)克隆鐵皮石斛DcCDPK8基因，通過研究明確了DcCDPK8對低溫和激素的響應(yīng)機(jī)制。

蔣園等[24]首次從鐵皮石斛中克隆到一個WRKY基因，該基因在低溫脅迫、ABA脅迫和蔗糖脅迫下均被誘導(dǎo)表達(dá)，推測DoWRKY5基因在鐵皮石斛應(yīng)答低溫脅迫等多種非生物脅迫中可能起重要的調(diào)控作用。

裴薇等[25]通過對鐵皮石斛多聚泛素基因DoUb1的克隆及表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)該基因?qū)Φ蜏孛{迫較敏感。

凌鴻等[26]首次獲得了鐵皮石斛晚期胚胎富集蛋白LEA2全長 cDNA序列，并驗證了其耐鹽脅迫功能。

4 小結(jié)

鐵皮石斛功能基因的研究起步較晚，目前相關(guān)研究報道主要圍繞克隆和表達(dá)模式分析，以及少數(shù)轉(zhuǎn)基因功能驗證方面的工作。鐵皮石斛為我國珍稀名貴藥材，目前具有良好的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景，應(yīng)用現(xiàn)代基因工程技術(shù)，從基因?qū)用骊U釋鐵皮石斛生長發(fā)育、活性產(chǎn)物代謝調(diào)控、抗環(huán)境脅迫的分子基礎(chǔ)及相關(guān)機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)鐵皮石斛人工種植、良種選育和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價值。

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（收稿日期：2020-12-02）