天麻種質(zhì)資源及其與雙菌共生分子機(jī)制研究

張照宇 孫建華 陳士林 董林林

(1 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所,北京,100700; 2 山東中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,濟(jì)南,250300; 3 陜西漢王略陽中藥科技有限公司,漢中,724300)

蘭科(Orchidaceae)為與真菌形成典型菌根共生關(guān)系的高等植物類群,是探究植物-真菌相互作用的模式植物[1]。天麻(GastrodiaelataBl.)為應(yīng)用廣泛的蘭科植物,又名“赤箭”“定風(fēng)草”“鬼督郵”等,其生命周期高度依賴萌發(fā)菌與蜜環(huán)菌[2-4]。天麻干燥地下塊莖具有息風(fēng)止痙、平抑肝陽、祛風(fēng)通絡(luò)的功效,廣泛用于降血脂、降血壓、改善失眠、緩解疲勞、鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛、保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞、治療風(fēng)濕痹痛和調(diào)節(jié)人體免疫,是臨床療效顯著且無明顯不良反應(yīng)的傳統(tǒng)中藥材[4-6]。國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)協(xié)同國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局已將天麻列入藥食同源類中藥材名錄,使其成為深受廣大消費(fèi)者喜愛的藥食同源品,具有藥用價(jià)值、保健價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[7]。

天麻野生種質(zhì)經(jīng)人工多代繁殖常出現(xiàn)品種退化、產(chǎn)量低而不穩(wěn)、藥效降低等問題,難以滿足現(xiàn)階段市場(chǎng)需求[8]。隨著人工栽培與品種選育技術(shù)的推進(jìn),我國(guó)已培育出一批品質(zhì)優(yōu)良的天麻新品種[9-12]。然而,傳統(tǒng)育種方式周期長(zhǎng)且隨機(jī)性大,天麻新品種培育工作面臨發(fā)展瓶頸。利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行分子育種將實(shí)現(xiàn)藥材的快速、精準(zhǔn)改良,為種質(zhì)資源優(yōu)化提供啟示[13]。天麻的生活史、生長(zhǎng)發(fā)育過程、共生時(shí)期營(yíng)養(yǎng)關(guān)系及細(xì)胞功能分化等研究已較為深入[2-3,14]。隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,學(xué)者們已利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等技術(shù)對(duì)天麻-真菌共生時(shí)期的分子機(jī)制進(jìn)行了初步探究[15-16]。然而,目前的研究多僅局限于天麻全生育期的一個(gè)發(fā)育階段或2種共生真菌的一個(gè)共生時(shí)期,缺乏系統(tǒng)性的研究與總結(jié),對(duì)現(xiàn)有天麻分子調(diào)控機(jī)制進(jìn)行整合,將為從分子層面揭示天麻異養(yǎng)生活模式的機(jī)制提供啟示。

本文綜述了天麻種質(zhì)資源的分布、種類以及新品種培育現(xiàn)狀,并對(duì)天麻-雙菌共生時(shí)期促進(jìn)種子萌發(fā)、維持共生動(dòng)態(tài)平衡體系、增強(qiáng)共生效率、物質(zhì)貯存等分子機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,以期為天麻遺傳信息解析、品種選育、遺傳改良和綜合開發(fā)利用提供支撐與參考。

1 天麻本草考證

天麻在我國(guó)已有2 000多年的入藥歷史,主要為“治風(fēng)”“補(bǔ)益”兩大功效,其用藥部位也隨著朝代的變遷有所不同。早在秦漢時(shí)期,《神農(nóng)本草經(jīng)》將其以“赤箭”為名列為上品,始載其功效:“氣味辛、溫,無毒,主殺鬼精物,治蠱毒惡氣。久服益氣力,長(zhǎng)陰,肥健,輕身,增年……功同五芝,力倍五仙,為仙家服食上品?！钡囱悦髌渌幱貌课籟17]。魏晉時(shí)期《名醫(yī)別錄》以“三、四、八月采根”言明天麻以塊莖作為藥用部位[18]。宋代《本草衍義》中記載:“赤箭,天麻苗也。然與天麻治療不同?！睂⑻炻榕c赤箭分名別錄,言明天麻藥用部位為塊莖,赤箭為其花莖[19]?！短交菝窈蛣┚址健分杏涊d,天麻常通過與麝香、全蝎、僵蠶等息風(fēng)藥配伍治療肝風(fēng)內(nèi)動(dòng)所致疾病[20]。明代李時(shí)珍所著的《本草綱目》又云:“根、莖并皆可用?！睂⑻炻榈母⑶o并為一物,并通過“天定乃定風(fēng)草,治風(fēng)之神藥”“上品五芝之外,補(bǔ)益上藥,赤箭為第一”等對(duì)天麻的分類、分布、藥性、應(yīng)用詳細(xì)記載[21]。清代的《本草備要》載:“天麻,治小兒癲癇……天麻益氣強(qiáng)陰,通血脈,強(qiáng)筋力,疏痰氣。”可見天麻既是息風(fēng)止痙常用藥,又為補(bǔ)益良方[22]。

隨著時(shí)代發(fā)展,目前天麻多以塊莖入藥。天麻飲片廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域，傳統(tǒng)的天麻鉤藤飲、半夏白術(shù)天麻方等復(fù)方制劑在臨床上療效顯著，天麻果脯、天麻赤砂糖餅干等保健食品深受廣大消費(fèi)者喜愛[6,23-24]。天麻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)完善將創(chuàng)造更多的藥用價(jià)值、保健價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 天麻種質(zhì)資源及新品種

中國(guó)是世界上野生天麻資源分布最廣泛的國(guó)家,具有豐富的種質(zhì)資源[25]。然而,天麻的真菌異養(yǎng)型生存機(jī)制以及市場(chǎng)需求量的逐漸升高使其野生資源處于瀕危狀態(tài),且野生種質(zhì)經(jīng)數(shù)代繁殖后多出現(xiàn)種群退化、病蟲害侵襲和品質(zhì)下降等問題,栽培價(jià)值降低[26]。為保障天麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展,我國(guó)以現(xiàn)有種質(zhì)為基礎(chǔ)培育了一批品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量穩(wěn)定的新品種[8,27]。

2.1 天麻種質(zhì)資源及分布 植物學(xué)研究顯示,全球天麻屬植物共30余種,但中藥材天麻的基原僅為天麻(G.elata)一個(gè)物種[1,25]。該物種的分布遍及亞洲,南至尼泊爾、不丹,東至日本、朝鮮半島,北至西伯利亞地區(qū),西至中國(guó)西藏的錯(cuò)那[25]。在中國(guó)境內(nèi),天麻在各省市均有分布,南起云貴山區(qū),北至黑龍江省,東起臺(tái)灣省,西至西藏,主要聚集在長(zhǎng)江中游兩岸的山區(qū)[25]。根據(jù)花色、莖稈顏色以及塊莖形狀和含水量的不同,天麻下分6個(gè)不同變型(變種),其形態(tài)特征及分布情況見表1。紅天麻(G.elataBl.f.elata)為原變型,花與莖皆呈橙紅色,根莖呈啞鈴形,主要分布于黃河及長(zhǎng)江流域諸省;綠天麻(G.elataBl.f.viridisMakino)花呈淡綠色至白色,莖呈淡藍(lán)色,根莖為長(zhǎng)橢圓形或倒圓錐形,產(chǎn)于東北至西南諸省;烏天麻(G.elataBl.f.glaucaS.Chow)花呈藍(lán)綠色,莖為灰棕色帶白色縱條紋,主產(chǎn)于我國(guó)西南部的貴州省、云南省;黃天麻(G.elataBl.f.flavidaS.Chow)花與莖均呈淡黃色,根狀莖卵狀長(zhǎng)橢圓形,主產(chǎn)于我國(guó)河南、湖北、貴州及云南諸省;松天麻(G.elataBl.f.albaS.Chow)花呈白色或淡黃色,莖為黃白色,根狀莖常為梭形或圓柱形,主產(chǎn)于云南西北部;卵果天麻(G.elatavar.obovataY.J.Zhang)的花色、莖稈顏色及塊莖形狀與紅天麻相似,區(qū)別在于其花呈螺旋排列,果實(shí)相對(duì)較短,分布于陜西省[25,28]。

2.2 天麻新品種 培育高品質(zhì)新品種是天麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。天麻6種變型(變種)在全國(guó)均有馴化栽培(表1)。其中,紅天麻為原變型,因生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)而廣泛栽培,為目前種植面積最大的天麻品種;烏天麻折干率較高、麻型較好且藥性較強(qiáng),為目前公認(rèn)品質(zhì)較好的天麻品種[8,27]。紅天麻和烏天麻分別因高產(chǎn)和品質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)成為育種的常用親本植物材料。見表2。1997年,宜昌市林校以宜昌紅天麻與云南烏天麻為親本,通過正反交培育出我國(guó)第一代雜交天麻——“鄂天麻1號(hào)”和“鄂天麻2號(hào)”,并于2002年通過湖北省品種審定[9,29]。雜交后的品種生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、藥用價(jià)值高,為我國(guó)常規(guī)天麻品種的更新?lián)Q代開拓了光明前景。楊文權(quán)等[30]通過將天麻不同變型雜交證實(shí)烏天麻與紅天麻的雜交后代品質(zhì)最佳。西南交通大學(xué)對(duì)川西南天麻野生混合種質(zhì)的自然變異株進(jìn)行系統(tǒng)選育,得到適宜四川及相似生態(tài)區(qū)種植的新品種——“川天麻金烏1號(hào)”,該品種平均畝產(chǎn)較其基原烏天麻增加超過70%,推動(dòng)了我國(guó)天麻的育種工作[10]。夏守平等[11]采集長(zhǎng)白山地區(qū)的野生綠天麻,經(jīng)人工馴化栽培,選育出適宜吉林省栽培的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的新品種——“翡翠1號(hào)”,挖掘了長(zhǎng)白山地區(qū)天麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)撃?。紅天麻為陜西省道地藥材且有自然分布,陳士林課題組通過將野生紅天麻自交選育出品質(zhì)優(yōu)良、分生速度快、抗逆性強(qiáng)的新品種——“略麻-1號(hào)”(ZYXP-2020-006),目前已在陜西略陽、湖北武夷山等地區(qū)廣泛種植,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[12]。

表1 天麻種植資源形態(tài)特征及分布情況

將天麻經(jīng)典品種的優(yōu)良性狀結(jié)合是現(xiàn)階段天麻育種的主要思路,然而傳統(tǒng)育種方式的周期性和隨機(jī)性使育種工作面臨瓶頸,利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子育種將精準(zhǔn)調(diào)控天麻性狀,指導(dǎo)天麻良種繁育的快速發(fā)展。

3 天麻-雙菌共生分子調(diào)控機(jī)制

天麻是與真菌共生的異養(yǎng)草本植物,其無根無葉,無法進(jìn)行光合作用,也不能從土壤中吸收大量水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8]。天麻生活史為:種子→原球莖→米麻→白麻→箭麻→種子[2]。見圖1。種子至原球莖階段為種子共生萌發(fā)階段,此過程天麻需小菇屬(Mycena)真菌與其共生并提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),此階段共生真菌統(tǒng)稱為萌發(fā)菌[14];原球莖后期,蜜環(huán)菌(A.mellea)逐漸取代萌發(fā)菌成為天麻的主要營(yíng)養(yǎng)來源,并與天麻共生至再次結(jié)種[3]。這種先后與不同真菌共生的生存機(jī)制成為天麻區(qū)別于其他蘭科植物的特征,為天麻-雙菌共生研究提供了生理學(xué)依據(jù)。

表2 天麻新品種培育現(xiàn)狀

圖1 天麻生活史

采用天麻全基因組測(cè)序?qū)μ炻檎婢愷B(yǎng)模式的分子機(jī)制進(jìn)行初步探究。天麻基因組(1.06 Gb)通過假基因化與基因重排淘汰大量基因,僅有187 969個(gè)蛋白編碼基因被注釋,是迄今為止最小的理論蛋白質(zhì)組。光合作用相關(guān)基因在缺失基因中占比極高,標(biāo)志著天麻光合系統(tǒng)的嚴(yán)重退化;而線粒體基因組顯著擴(kuò)張,并主要富集于代謝功能。此研究結(jié)果表明,天麻利用基因可塑性調(diào)整全基因組結(jié)構(gòu),使其在無法自身進(jìn)行光合作用的情況下能夠進(jìn)行正常生理活動(dòng),為天麻-雙菌共生研究提供了分子依據(jù)[31]。

3.1 天麻-萌發(fā)菌共生時(shí)期分子機(jī)制 天麻種子由種皮、分生細(xì)胞、原胚細(xì)胞、柄狀細(xì)胞及已退化的胚柄殘跡構(gòu)成,因無胚乳而缺乏營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),小菇屬(Mycena)真菌為其萌發(fā)提供信號(hào)與營(yíng)養(yǎng),此機(jī)制稱為共生萌發(fā)[32-33]。萌發(fā)菌以菌絲形態(tài)由柄狀細(xì)胞侵入種子并使胚分生細(xì)胞分化為天麻與菌絲共生的主要場(chǎng)所——菌絲結(jié)細(xì)胞,以及水解菌絲并為天麻提供營(yíng)養(yǎng)的場(chǎng)所——消化細(xì)胞[14]。種子由消化細(xì)胞水解菌絲獲得營(yíng)養(yǎng),胚分生細(xì)胞旺盛分裂,膨脹的胚突破種皮形成原球莖[34]。

共生萌發(fā)前期,天麻與萌發(fā)菌為保證種子萌發(fā)均產(chǎn)生分子調(diào)節(jié)機(jī)制。天麻種皮由木質(zhì)素形成疏水屏障,限制水分而導(dǎo)致種子發(fā)育不良[35]。Ren等[34]的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究結(jié)果顯示,與純菌絲比較,共生菌絲中降解木質(zhì)素的錳依賴性過氧化物酶(Manganese-dependent Peroxidase,MnP)與漆酶(Laccase)表達(dá)均顯著上調(diào),協(xié)助降解天麻種皮并促進(jìn)水分吸收。植物激素脫落酸(Abscisic Acid,ABA)為種子萌發(fā)抑制劑,在種子至原球莖階段,5種參與ABA生物合成的基因表達(dá)顯著下調(diào),30個(gè)參與ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因表達(dá)水平較低且無顯著變化,降低了ABA對(duì)天麻種子萌發(fā)的抑制。因此,共生體系建立后,宿主與真菌均通過調(diào)整基因表達(dá)量促進(jìn)種子萌發(fā)。

天麻與萌發(fā)菌共生是建立信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與物質(zhì)運(yùn)輸途徑的復(fù)雜過程。內(nèi)吞作用又稱入胞作用,該過程多依賴網(wǎng)格蛋白,是宿主與真菌建立共生關(guān)系的橋梁,具有激活共生信號(hào)通路、環(huán)境溝通、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)茸饔肹36-38]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果表明,原球莖中有16個(gè)(共26個(gè))網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用相關(guān)基因較種子時(shí)期顯著上調(diào)表達(dá),此結(jié)果與該團(tuán)隊(duì)蛋白組學(xué)結(jié)果一致[32-33]。原球莖后期,促進(jìn)信號(hào)復(fù)合物形成并誘導(dǎo)防御素表達(dá)的絲氨酸與蘇氨酸激酶高度表達(dá),提高了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)效率[33]。在共生萌發(fā)過程中,天麻通過調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與物質(zhì)運(yùn)輸途徑促進(jìn)天麻-萌發(fā)菌共生體系的建立并增強(qiáng)了二者的共生效率。

在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中,天麻建立了抵御菌絲過度侵染的多重機(jī)制。真菌細(xì)胞壁主要由多糖構(gòu)成,其水解產(chǎn)物寡糖可作為激發(fā)子誘導(dǎo)宿主細(xì)胞產(chǎn)生防御與免疫反應(yīng)[39]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果顯示,在種子至原球莖階段,天麻編碼多糖水解酶的基因顯著上調(diào)[32]。這一機(jī)制促進(jìn)了菌絲細(xì)胞壁降解,產(chǎn)生寡糖,并誘導(dǎo)防御與免疫相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)[34]。根據(jù)多項(xiàng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果,抗病相關(guān)蛋白在種子萌發(fā)后顯著上調(diào),共生萌發(fā)關(guān)系建立后,原球莖中的上調(diào)基因數(shù)目遠(yuǎn)高于下調(diào)基因數(shù)目,且多聚集于植物防御、能量代謝、次生代謝等途徑,而共生菌絲下調(diào)基因數(shù)目始終高于上調(diào)基因數(shù)目[31-33,40]。這標(biāo)志著共生關(guān)系的建立，使宿主開始隨著消化菌絲獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并隨著旺盛的生命活動(dòng)生長(zhǎng),而萌發(fā)菌則受到限制和消化,生理活性與生命活動(dòng)較共生關(guān)系建立前顯著降低,二者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

共生萌發(fā)后期,蜜環(huán)菌開始侵染天麻并伴隨活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)的產(chǎn)生[41]。蛋白組學(xué)結(jié)果表明,與早期原球莖比較,天麻于原球莖后期上調(diào)植物防御、代謝、分子信號(hào)相關(guān)基因。其中,增強(qiáng)真菌抗性的致病相關(guān)蛋白，保護(hù)組織免受氧化損傷的過氧化物相關(guān)酶高度表達(dá),這表明蜜環(huán)菌的侵染觸發(fā)了天麻的代謝與防御反應(yīng)[33]。共生萌發(fā)后期天麻-萌發(fā)菌共生平衡狀態(tài)被打破,蜜環(huán)菌將逐漸取代萌發(fā)菌與天麻形成新的共生體系。

綜上所述,天麻-萌發(fā)菌共生時(shí)期主要有促進(jìn)種子萌發(fā)、提高共生效率、維持共生平衡，以及共生后期打破動(dòng)態(tài)平衡4類調(diào)控機(jī)制。見表3。天麻種子-萌發(fā)菌建立共生關(guān)系后,宿主與真菌分別通過降低種子萌發(fā)抑制劑的合成與協(xié)助降解種皮以促進(jìn)種子萌發(fā)形成原球莖。形成穩(wěn)定共生體系后,天麻-萌發(fā)菌通過建立信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與物質(zhì)運(yùn)輸途徑提高天麻-真菌共生效率,天麻將菌絲限制于皮層區(qū)域并不斷消解菌絲以維持菌-麻動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。共生萌發(fā)后期,蜜環(huán)菌的侵染使天麻產(chǎn)生應(yīng)激與防御反應(yīng)并打破共生體系動(dòng)態(tài)平衡,為下一階段天麻-蜜環(huán)菌共生體系的建立創(chuàng)造條件。

表3 天麻-萌發(fā)菌共生階段分子機(jī)制

3.2 天麻-蜜環(huán)菌共生時(shí)期分子機(jī)制 天麻-萌發(fā)菌共生后期,編碼器官形態(tài)變化的相關(guān)基因高度表達(dá),原球莖頂端的分生組織逐漸分化出新生麻[31]。此階段僅依靠萌發(fā)菌已無法滿足天麻分化生長(zhǎng)出新生麻的需求,蜜環(huán)菌侵染并取代萌發(fā)菌為天麻的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)。見圖1。萌發(fā)菌與蜜環(huán)菌均為天麻與其共生期間的唯一營(yíng)養(yǎng)來源,然而二者在侵染方式及侵入位置等方面有所不同[14]。見圖2。

圖2 萌發(fā)菌、蜜環(huán)菌與天麻共生期間的異同

蜜環(huán)菌菌絲通過機(jī)械力量和分泌化學(xué)物質(zhì)突破表皮,直達(dá)大型細(xì)胞層外的一層皮層細(xì)胞并形成菌絲流細(xì)胞層。菌絲由菌絲流細(xì)胞層向外侵染并消化宿主細(xì)胞的細(xì)胞器,菌絲纏繞形成天麻與蜜環(huán)菌共生的場(chǎng)所——菌絲結(jié)細(xì)胞,向內(nèi)侵染被消化細(xì)胞層徹底水解。天麻由消化細(xì)胞層水解菌絲獲得營(yíng)養(yǎng),進(jìn)而發(fā)育為箭麻[2-3,14]。經(jīng)過低溫休眠越冬,箭麻抽薹出土,形成花莖并開花、結(jié)種。至此,天麻完成由種子到種子的生活史[8]。

與萌發(fā)菌相似,天麻-蜜環(huán)菌共生體系需多種機(jī)制共同調(diào)節(jié)。宿主可通過Ca2+激增過程調(diào)節(jié)真菌定殖,獨(dú)腳金內(nèi)酯對(duì)菌絲具有分枝誘導(dǎo)作用[42]。根據(jù)全基因組結(jié)果,與近緣物種比較,天麻擴(kuò)張了參與Ca2+激增過程的鈣調(diào)素依賴蛋白相關(guān)基因和用于合成、分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯的關(guān)鍵基因[31]。組織特異性實(shí)時(shí)定量PCR分析結(jié)果表明,獨(dú)腳金內(nèi)酯相關(guān)基因在菌絲定殖的皮層中表達(dá)量最高,線粒體基因組中37個(gè)代謝相關(guān)基因中的36個(gè)在皮層中高度表達(dá),這與宿主細(xì)胞與菌絲在皮層處建立共生關(guān)系的功能需求高度相關(guān)[14,31]。天麻利用其基因可塑性擴(kuò)張菌絲調(diào)節(jié)相關(guān)基因,并通過組織特異性表達(dá)調(diào)節(jié)菌-麻共生區(qū)域的代謝過程,增強(qiáng)了天麻-蜜環(huán)菌共生關(guān)系的效率。

為抵御蜜環(huán)菌過度侵染,天麻于共生階段產(chǎn)生自我保護(hù)機(jī)制。代謝產(chǎn)物分析表明,4-羥基芐基醇(4-Hydroxybenzyl Alcohol,p-HA)僅分布于宿主,然而天麻通過向共生菌絲運(yùn)輸具有p-HA骨架的植物抗毒素S-(p-HA)-glutathione抵御菌絲進(jìn)一步侵染[31]。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)將共生菌絲與純菌絲轉(zhuǎn)錄物進(jìn)行比較,結(jié)果顯示共生菌絲中93.16%的差異基因表現(xiàn)為下調(diào);其中與蜜環(huán)菌生命活動(dòng)高度相關(guān)的纖維素酶、木聚糖酶等胞外酶相關(guān)基因全部呈下調(diào)表達(dá)[43-44]。天麻通過向菌絲運(yùn)輸植物抗毒素、抑制共生菌絲生命活動(dòng)等自我保護(hù)機(jī)制減弱菌絲的侵入能力,抵御了蜜環(huán)菌對(duì)宿主的過度侵染并不斷消化菌絲,使天麻-蜜環(huán)菌呈動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

共生天麻能否合成并累積足夠營(yíng)養(yǎng)貯存物質(zhì)及能量物質(zhì)是箭麻品質(zhì)的關(guān)鍵。劉云霞等[45]通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較共生天麻與商品箭麻的生長(zhǎng)代謝差異,并選擇了植物生長(zhǎng)過程中至關(guān)重要的氮、碳和能量代謝過程中的關(guān)鍵酶進(jìn)行差異基因分析。氮素代謝是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵生理過程[46]。在共生天麻中,谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase,GS)與天冬酰胺合成酶(Asparagine Synthetase,ASNS)編碼基因表現(xiàn)為顯著上調(diào),分解氨基酸的谷氨酸脫氫酶(Glutamate Dehydrogenase,GDH)與精氨酸酶編碼基因均表現(xiàn)為下調(diào),為天麻積累了氮素營(yíng)養(yǎng)[47-49]。淀粉是高等植物的營(yíng)養(yǎng)貯存形式[50]。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示,共生天麻中的可溶性淀粉合成酶(Soluble Starch Synthase,SSS)、提供淀粉底物的蔗糖合成酶(Sucrose Synthase,SuSy)與淀粉合成的限速酶——腺苷二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose Pyrophosphorylase,AGPase)編碼基因均表現(xiàn)為上調(diào),而具有水解功能的淀粉酶(Amylase,AMS)相關(guān)基因表現(xiàn)為下調(diào)[43,51-52],為天麻的生長(zhǎng)發(fā)育貯存了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。糖酵解與檸檬酸循環(huán)為產(chǎn)能途徑?；谵D(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果,共生天麻的己糖激酶(Hexokinase,HK)、丙酮酸脫氫酶(Pyruvate Dehydrogenase,PDH)、蘋果酸脫氫酶(Malate Dehydrogenase,MDH)、異檸檬酸脫氫酶(Isocitrate Dehydrogenase,IDH)基因表達(dá)均上調(diào)。這表明在天麻-蜜環(huán)菌共生期間,糖酵解與檸檬酸循環(huán)代謝旺盛,由此產(chǎn)生大量腺苷三磷酸(Adenosine Triphosphate，ATP)并通過顯著上調(diào)的ATP酶(Adenosine Triphosphatase,ATPase)水解,為共生天麻的成熟提供大量能量[18]。共生階段天麻大分子物質(zhì)的合成及累積,為其生長(zhǎng)發(fā)育提供了足夠的營(yíng)養(yǎng)與能量。

綜上所述,天麻-蜜環(huán)菌共生體系具有提高共生效率、維持共生平衡、物質(zhì)貯存3類共生機(jī)制。見表4。天麻與蜜環(huán)菌共生時(shí)期可通過組織特異性表達(dá)及物質(zhì)運(yùn)輸?shù)韧緩秸{(diào)節(jié)共生體系以提高共生效率并維持菌-麻體系動(dòng)態(tài)平衡;同時(shí),宿主可通過調(diào)節(jié)代謝相關(guān)基因貯存營(yíng)養(yǎng)及能量物質(zhì)以保障箭麻的成熟。

4 展望

天麻為我國(guó)傳統(tǒng)的珍貴藥材,其悠久的藥用歷史和顯著的臨床療效吸引著學(xué)者們的逐漸關(guān)注。目前天麻種質(zhì)資源、遺傳信息與菌-麻共生體系的分子調(diào)控機(jī)制相關(guān)研究已初見成果。為充分發(fā)揮天麻藥用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值,天麻物種相關(guān)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

4.1 遺傳信息的合理利用 天麻的遺傳信息是天麻分子育種的寶貴資源。對(duì)不同天麻種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性分析,建立天麻DNA種質(zhì)資源庫,為不同種質(zhì)資源的區(qū)分鑒定與優(yōu)良品種遺傳特質(zhì)的確定提供可靠的分子依據(jù)。在此基礎(chǔ)上高效利用優(yōu)良性狀的控制基因,通過分子設(shè)計(jì)與全基因組分子標(biāo)記輔助選育,可助力培育優(yōu)良新品種。

4.2 組學(xué)技術(shù)的整合利用 當(dāng)前天麻的分子生物學(xué)研究多基于基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等單一組學(xué)技術(shù)進(jìn)行,應(yīng)采用多組學(xué)技術(shù),從多層次、多因素的全局性角度進(jìn)行整合研究,建立并完善基因-表型組數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)闡述天麻共生體系的調(diào)控機(jī)制。

表4 天麻-蜜環(huán)菌共生階段分子機(jī)制

4.3 天麻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)完善 目前,天麻產(chǎn)業(yè)已逐漸由粗加工飲片向精細(xì)加工產(chǎn)品轉(zhuǎn)變。通過加強(qiáng)優(yōu)良品種選育、種植基地建設(shè)確保天麻的產(chǎn)量和質(zhì)量,并以此為基礎(chǔ)開展產(chǎn)品多元化研究,將天麻產(chǎn)業(yè)拓展到除食品、藥品、保健品以外的煙、酒、茶、化妝品各領(lǐng)域,將助力天麻產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。