人参XTH家族基因功能分析及与红皮病的关系研究

Red skin disease is considered as a physiological disorder which seriously limits ginseng cultivation. Our previous study has shown that the occurrences of red skin disease related to accumulation of Aluminum (Al) and iron (Fe), also related to cell wall modifying genes especially in xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases (XTH) family. Thus, present study including following contents (1) comparison of the xyloglucan contents, XET activity and accumulation of Al and Fe between healthy and red skin ginseng (2) XTH genes in panax ginseng are cloned and functional analysis are performed based on transgenic hairy roots to study the adsorption and de-adsorption kinetics of Al and Fe in the xyloglucan-modified cell walls. With above research, it is expected to elucidate the functions of XTH genes in Panax ginseng and their relationships with the occurrence of red skin disease.

红皮病是限制人参栽培的最重要生理症状之一。课题组前期研究发现，红皮病的发生与铝铁金属离子在人参中的累积和分布相关，且与细胞壁调整相关基因特别编码木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶(XTH)家族基因相关。因此，本项目欲（1）比较研究红皮病/健康人参细胞壁多糖组分、木葡聚糖含量、木葡聚糖内转糖苷酶活性、XTH基因转录表达及铁铝累积等指标，明确人参根系细胞壁木葡聚糖累积对铝铁吸收分布的贡献以及红皮病发生的关系；（2）克隆人参XTH家族基因并分析其功能，通过转基因人参发根改变细胞壁木葡聚糖组分进而研究其对铝铁吸附解吸能力乃至红皮病的发生。综合以上实验，为进一步阐明人参红皮病发生机理、解析人参XTH家族基因功能提供科学支撑。

红皮病是人参优质生产中最重要的限制因子之一。根据立项申请及阶段进展，本项目主要包括以下内容（1）通过人参基因组和红皮病/健康人参转录组，依据Gly-co_hydro_16 domain和XET_C domain的保守结构域，对人参XTH家族基因进行查找和命名，并对获得的38个人参XTH家族基因进行全面的生物信息学分析；（2）依据其在红皮病人参中的表达以及保守结构域的分布，项目重点分析4个PgXTH基因，通过转录表达、亚细胞定位、拟南芥中异源表达等方式，分析其在细胞壁组分调整、铝铁吸附能力上的作用，进而推测其与红皮病的关系；（3）通过转录组等分析手段揭示人参红皮病与AM菌根共生、有益和有害微生物共存的生物环境，以及响应硝酸盐累积、酸铝环境，进而在苯丙氨酸代谢途径调整的转录响应；（4）通过非靶向代谢组学和靶向代谢组学检测红皮病人参次级代谢提高，花青苷和类胡萝卜素含量增加是红皮病的重要色泽成分，结合转录组分析推测茉莉酸调控MYB转录因子介导花青苷和类胡萝卜素色泽生成的途径；（5）对比健康人参，对红皮病人参表皮/须根细胞壁中纤维素含量不变，但半纤维素、各级果胶质及胼胝质等多糖含量下降，自由单糖含量上升，细胞壁组分的调整扣及对铝铁的吸附解析能力解析正在进行中。通过以上研究，从基因功能、代谢产物等角度进一步揭示红皮病病因、发病进程及最终现象的呈现过程，为人参红皮病的治理奠定基础。