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名貴藥材，近些年，隨著分子生物學技術的進步，鐵皮石斛在分子方面的研究快速發展，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展。通過查閱相關文獻，綜述鐵皮石斛功能基因在生長發育調控、次生代謝產物合成和抗環境脅迫三個方面的研究進展，以期為該領域的進一步研究及鐵皮石斛的科學、有效、合理利用提供理論依據。

關鍵詞： 鐵皮石斛;功能基因

中圖分類號：R282?? 文獻標志碼：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，為我國傳統名貴藥材，以新鮮或干燥的莖入藥，在《神農本草經》和《本草綱目》中均被列為上品，具有滋陰清熱、養陰生津、溫胃明目、補腎益力等功效。

目前，鐵皮石斛已經在種質資源[1]、化學成分及藥理作用[2-4]、組織培養[5]、質量控制[6]等研究方面取得了豐碩成果。近些年，隨著分子生物學技術的進步，鐵皮石斛在分子方面的研究快速發展，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展。

鐵皮石斛功能基因研究主要集中在3個方面：生長發育調控功能基因、次生代謝產物合成功能基因和抗環境脅迫功能基因。筆者從這三個方面對近年來鐵皮石斛功能基因研究進展進行歸納和總結，以期為該領域的進一步研究及鐵皮石斛的科學、有效、合理利用提供理論依據。

1 鐵皮石斛生長發育調控功能基因研究

蛋白質可逆磷酸化是真核生物體調節細胞周期的基礎機制，而蛋白激酶（protein kinases，PK）和蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）是蛋白質可逆磷酸化的關鍵調控酶，在植物體的信號轉導途徑和生理代謝過程中起重要調節作用。劉亮亮等[7]通過對鐵皮石斛蛋白磷酸酶2A基因（PP2A）進行催化亞基基因克隆、生物信息學、表達模式等研究，發現DoPP2A在根中發揮一定生理作用。張娜等[8]的研究發現DoPP2C1基因具有組織表達特異性，其轉錄本在石斛根和莖中表達量較高，推測該基因通過特異的分子表達機制參與植物組織的生長發育。

ABC轉運蛋白（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運蛋白，其轉運功能強大，參與植物激素、金屬離子、脂質、次生代謝物和外源物質的運輸密切相關[9]。李依民等[10]研究發現2個F家族ABC轉運蛋白基因在石斛葉中表達豐度較高，推測其可能在葉片中發揮一定的生物學功能。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轉運蛋白，這些蛋白主要定位在細胞質膜、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過程中顯著差異上調表達，預測這些蛋白在鐵皮石斛種子萌發及與微生物相互作用過程中發揮重要作用。

李歡等[12]用鐵皮石斛過氧化氫酶基因DoCAT1cDNA進行生物信息和表達分析，實驗qPCR表達分析顯示，DoCAT1在植物器官中的表達存在顯著的差異，根中具有高表達特征，推測該基因可能參與植物石斛根的生長發育調控或生理響應過程。

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）進行研究，發現DoTrxL2在鐵皮石斛原球莖形成早期表達量較高，表明該基因對原球莖形成有促進作用;而在種子和花中表達量高，表明該基因對植物組織的生殖發育具有調控作用。

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

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和作用方式參與石斛營養器官的生長發育過程。

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，通過研究發現該基因在鐵皮石斛種子萌發中起著重要調控作用。

2 鐵皮石斛次生代謝產物合成功能基因研究

多糖是鐵皮石斛的主要次生代謝產物，也是鐵皮石斛的主要有效成分。宋爽[17]通過進行鐵皮石斛全基因組糖基轉移酶分析，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技術首次從鐵皮石斛中分離到一個己糖轉運蛋白基因cDNA全長DoHT1，并發現DoHT1是編碼鐵皮石斛己糖轉運蛋白的新基因。

苗小榮等[20]克隆鐵皮石斛中性/堿性轉化酶（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差異以及在信號分子茉莉酸甲酯（MeJA）誘導下的表達模式，為進一步研究調控鐵皮石斛萜類代謝奠定了基礎。

3 鐵皮石斛抗環境脅迫功能基因研究

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

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表達，推測DoWRKY5基因在鐵皮石斛應答低溫脅迫等多種非生物脅迫中可能起重要的調控作用。

裴薇等[25]通過對鐵皮石斛多聚泛素基因DoUb1的克隆及表達分析，發現該基因對低溫脅迫較敏感。

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

鐵皮石斛功能基因的研究起步較晚，目前相關研究報道主要圍繞克隆和表達模式分析，以及少數轉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潛力和應用前景，應用現代基因工程技術，從基因層面闡釋鐵皮石斛生長發育、活性產物代謝調控、抗環境脅迫的分子基礎及相關機制，對實現鐵皮石斛人工種植、良種選育和產業化發展具有重要價值。

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（收稿日期：2020-12-02）