云南农业大学博士生第一作者在一区top期刊发表研究成果，揭开“拔鸡腿”之谜：三七主根产量激增的秘密
学术
2024-12-06 15:21
法国
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近日，云南农业大学赵昶灵教授团队在Industrial Crops & Products发表了研究成果，深入解析了“拔鸡腿”（Drumstick-forming）形成与三七主根产量增长之间的关系，为优化三七种植和育种措施提供了科学依据。自400多年前开始，人们就注意到表现出“拔鸡腿”特征的三七植株，其主根通常更重、体积更大且质地更为坚实。现代农业实践中，“七农”和“七商”经常依据田地中“拔鸡腿”三七的比例来预测药材的高产情况。由于三七主根是药材中最重要的部分，其产量直接决定了药材的商业价值。在三七主根中，淀粉是最主要的成分之一，对药材的产量具有决定性影响。本研究选取了二年生和三年生的“拔鸡腿”及“非拔鸡腿”三七植株作为实验材料。通过称重法测量主根的新鲜重量、干重和干燥率，并使用排水法测定其体积。采用PAS+萘酚黄S染色法结合光学显微镜检测三七主根中的淀粉粒；利用分光光度法分析直链淀粉、支链淀粉、总淀粉含量以及它们的比例和海藻糖含量。此外，研究人员还通过RNA-seq技术鉴定了“拔鸡腿”与“非拔鸡腿”植株间差异表达的基因，特别是那些参与淀粉合成的关键结构基因和转录因子基因，并通过qRT-PCR验证了这些基因的表达情况。结果显示，“拔鸡腿”表型的三七植株，其二年生和三年生主根的单株鲜重和淀粉粒密度显著高于对照组。具体来说，二年生“拔鸡腿”植株的主根干重、体积、直链淀粉含量（ACPP）和直链/支链淀粉比例（AC/APC）均显著增加，而折干率则较低。对于三年生植株，除了体积极大地增加外，干重也显著提高，但折干率没有明显变化，同时观察到直链淀粉和总淀粉含量有所下降，而海藻糖含量则显著升高。基因表达分析表明，PFK、INV、SBE等基因在淀粉合成过程中扮演重要角色，而DOF和NAC类转录因子则在一定程度上调控着淀粉的合成。图2. 有或无“拔鸡腿”现象的2年生和3年生三七植株主根的单株重量、干燥率和体积图3. 有或无“拔鸡腿”现象的2年生和3年生三七植株主根中的淀粉粒图4. 叶片和主根中与淀粉合成相关并响应“拔鸡腿”现象的差异表达基因（DEGs）的转录水平与三七主根淀粉含量之间的皮尔森相关系数淀粉作为三七主根中最丰富的化合物，对其产量有着至关重要的作用。研究表明，主根中淀粉含量的变化主要受控于与淀粉合成相关并响应“拔鸡腿”现象的差异表达基因。关键酶如磷酸果糖激酶（PFK）、蔗糖酶（INV）、淀粉分支酶（SBE）和果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（FBA）的活性直接影响了直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的合成，进而影响三七主根的最终产量。这一发现不仅加深了我们对三七生长机制的理解，也为未来的农业实践提供了宝贵的指导。云南农业大学农学与生物技术学院博士研究生李桂琼和张洪玲为共同第一作者，赵昶灵教授和蒋敏博士为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金资助项目“三七药材皂苷含量“拔鸡腿”响应性增高的机理”（项目编号82460741）和“一年生三七地上茎的黄金分割式紫化及其与皂苷积累的关系”（项目编号31460065）、云南农业大学第十四届学生科技创新创业行动基金项目“三七‘拔鸡腿’对三七药材高产的表征及其光合性能基础”（项目编号2021ZKX012）、云南农业大学第十五届学生科技创新创业行动基金项目“三七“拔鸡腿”对三七药材淀粉含量的表征及其转录基础”（项目编号2022ZKY238）和文山壮族苗族自治州农业科学院“滇东南石漠化地区特色饲草种质资源评价和优良种质筛选”（项目编号：WYHZ2023-01）的支持。作者特别感谢肖兴磊先生在三七植株的鉴定和采集方面提供热情帮助。Industrial Crops & Products 共同第一作者![]()
