铁皮石斛胁迫响应型蔗糖合成酶基因DoSUS2调控可溶性糖积累增强抗旱性的分子机制

本研究针对药用植物铁皮石斛(Dendrobium officinale)在干旱胁迫下多糖积累的调控机制这一关键科学问题，通过鉴定蔗糖合成酶(SUS)基因家族成员，发现DoSUS2具有组织特异性表达模式并对干旱和ABA处理显著响应。研究人员利用拟南芥异源表达系统证实DoSUS2过表达能显著提高抗旱性和ABA耐受性，促进可溶性糖积累并增强ROS清除能力。研究进一步揭示转录因子DobHLH14通过结合DoSUS2启动子区E-box motif调控其表达，构建了包含DoSUS1、DoGT5、DoUGE2/3和DoVIN2的糖代谢调控网络。该研究为培育高多糖含量且抗旱的铁皮石斛品种提供了重要理论依据和分子靶点。

　　

在传统中医药宝库中，铁皮石斛(Dendrobium officinale)因其富含具有抗氧化、抗炎和抗肿瘤活性的多糖成分而备受推崇。丹霞品种作为道地药材，其独特的生长环境——广东始兴县夏季高温少雨的气候条件，反而促进了高达55%的多糖积累。这种"逆境出药效"的现象背后隐藏着怎样的分子奥秘？如何利用这一特性培育既高产又抗旱的药用品种？这些问题成为当前药用植物研究的重要课题。

广东北部地区食品与药用资源保护与利用重点实验室（韶关学院）的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究给出了答案。研究人员发现，干旱和ABA处理能显著诱导铁皮石斛茎尖多糖积累，同时激活蔗糖合成酶(Sucrose Synthase, SUS)基因的表达。通过全基因组分析鉴定出4个DoSUS基因，其中DoSUS2表现出组织特异性表达模式，并对干旱和ABA处理具有显著响应。

研究采用多组学联用策略：通过RNA-seq筛选差异表达基因；利用系统发育分析和蛋白结构预测鉴定SUS家族成员；构建过表达载体通过农杆菌介导获得转基因拟南芥；采用酵母单杂交(Y1H)和染色质免疫沉淀(ChIP)验证转录调控机制；结合生理生化分析评估抗旱性相关指标。

3.1 非生物胁迫诱导铁皮石斛糖分积累

研究发现20% PEG模拟干旱和100 μM ABA处理24小时后，茎尖多糖积累显著增加。伴随ABA含量升高，叶片中可溶性糖、果糖和UDP-葡萄糖含量在24小时达到峰值。胁迫条件下ROS清除酶(CAT、POD、SOD)活性先升高后降低，表明DoSUS可能参与胁迫响应。

3.2 铁皮石斛SUS基因家族的基因组特征

鉴定出4个DoSUS基因，编码806-829个氨基酸的亲水性蛋白。系统发育分析将其分为SUS I-III三个亚类，其中DoSUS2和DoSUS4属于SUS I亚类。启动子分析发现富含DRE、E-box等胁迫响应元件。

3.3 DoSUS2的组织表达与胁迫响应

转录组和qPCR显示DoSUS2在茎中高表达，干旱处理6小时表达量激增20倍，ABA处理9小时升高200倍。这种表达模式与ABA积累动态高度吻合。

3.5 异源表达DoSUS2增强拟南芥抗旱性

过表达DoSUS2的拟南芥在400 mM甘露醇和200 μM ABA处理下表现出更强的萌发率和鲜重。转基因植株积累了更多可溶性糖、ASA和GSH，同时降低MDA和H₂O₂含量，维管组织排列更规则。

3.6 DobHLH14通过E-box调控DoSUS2表达

WGCNA分析发现DobHLH14与DoSUS2共表达。实验证实DobHLH14特异性结合"CATTTG"型E-box，突变核心"CA"或"TG"将丧失结合能力。瞬时转化显示DobHLH14可激活包含E-box的DoSUS2启动子驱动GUS报告基因表达。

这项研究首次揭示了铁皮石斛中DobHLH14-DoSUS2模块的双重功能：既调控多糖生物合成，又参与干旱胁迫响应。该发现为理解药用植物"逆境增药效"现象提供了分子解释，为分子设计育种提供了关键靶点——通过调控该模块可同步提升铁皮石斛的抗旱性和药用成分含量。研究建立的糖代谢调控网络模型，不仅适用于铁皮石斛，也为其他兰科药用植物的遗传改良提供了参考框架。未来研究可进一步探索该模块对其他逆境（如高温、盐碱）的响应机制，以及田间条件下的实际应用效果。