低温ストレスに応答したMomordica charantia L.苗の遺伝子発現と代謝変化

Gene expression and metabolic changes of Momordica charantia L. seedlings in response to low temperature stress.

• Yu Niu
• Ziji Liu
• Huang He
• Xu Han
• Zhiqiang Qi
• Yan Yang

抄録

現在の植物製品産業、特に非熱帯地域やその他の寒冷地での熱帯野菜は、低温が発芽、生育、流通を阻害する生物学的要因の一つとなっています。特に非熱帯地域やその他の寒冷地での熱帯野菜の発芽・生育・流通を阻害する要因として、寒冷地耐性を有する植物のスクリーニングが世界的に注目され、その重要性が叫ばれている。これまでの研究では、Momordica Charantia L.の苗の耐寒性品種をスクリーニングした。しかし、この適応過程の分子的・生理的メカニズムは未だに不明な点が多い。本研究では、Momordica Charantia L.の耐寒性種の適応機構を遺伝学的およびメタボロミクスレベルで検討した。低温処理後の植物組織におけるマロンジアルデヒド(MDA)、過酸化水素(H2O2)、プロリン含量、抗酸化酵素活性、代謝物の変化、遺伝子分化を指標に、低温感受性群(Y17)と低温耐性群(Y54)の2種を評価した。低温ストレスにより、2種ではMDA、H2O2、プロリン含量の蓄積が増加したが、耐寒性種Y54では発現が少ないことがわかった。耐寒性種Ｙ５４は、Ｙ１７と比較して、ＰＯＤ（ペルオキシダーゼ）、ＣＡＴ（カタラーゼ）、ＳＯＤ（スーパーオキシドジスムターゼ）の抗酸化酵素活性が有意に亢進していた。一方、耐寒性種Y54では低温曝露時に抗酸化酵素や転写因子をコードする遺伝子の発現が高く、McSOD1、McPDC1、McCHS1などのコア遺伝子をQ-PCRバリデーションで探索した結果、低温曝露時に抗酸化酵素や転写因子をコードする遺伝子の発現が高かった。さらに、Y54のアミノ酸、糖、脂肪酸、有機酸を含む植物代謝物はY17よりも高かったことから、低温順応に重要な役割を果たしていることが示唆された。一方、アミモ酸、ポリペプチド、糖、有機酸、核酸を含む初期代謝物は、耐寒性種Y54では耐寒性種Y17よりも明らかに増加していた。これらの結果から、Momordica Charantia L.の耐寒性は、抗酸化系の動員、転写因子の調整、浸透調節物質の蓄積によって達成された可能性があることが明らかになった。本研究は、Momordica Charantia L.の耐寒性メカニズムを明らかにするための有益な情報を提供するとともに、他の植物における耐寒性種のさらなるスクリーニングのためのヒントを提供するものであった。

Low temperature is one of the abiotic factors limiting germination, growth and distribution of the plant in current plant-products industry, especially for the tropical vegetables in non-tropical area or other fields under cold temperature. Screening the plant with ability against cold temperature captured worldwide attention and exerted great importance. In our previous work, the anti-cold specie of Momordica Charantia L. seedlings was screened out. Yet, the molecular and physiological mechanisms underlying this adaptive process still remain unknown. This study was aimed to investigate adaption mechanism of anti-cold species of Momordica Charantia L. seedlings in genetical and metabolomics levels. Two species, cold-susceptible group (Y17) and cold-resistant group (Y54), were evaluated containing the indexes of malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H2O2), proline content, activities of antioxidant enzymes, metabolites changes and genes differentiation in plant tissues after cold treatment. It found that low temperature stress resulted in increased accumulation of MDA, H2O2 and proline content in two species, but less expressions in cold-resistant species Y54. As compared to Y17, cold-resistant species Y54 presented significantly enhanced antioxidant enzyme activities of POD (peroxidase), CAT (cataalase) and SOD (superoxide dismutase). Meanwhile, higher expressed genes encoded antioxidant enzymes and transcription factors when exposure to the low temperature were found in cold-resistant species Y54, and core genes were explored by Q-PCR validation, including McSOD1, McPDC1 and McCHS1. Moreover, plant metabolites containing amino acid, sugar, fatty acid and organic acid in Y54 were higher than Y17, indicating their important roles in cold acclimation. Meanwhile, initial metabolites, including amimo acids, polypeptides, sugars, organic acids and nucleobases, were apparently increased in cold resistant species Y54 than cold susceptible species Y17. Our results demonstrated that the Momordica Charantia L. seedlings achieved cold tolerance might be went through mobilization of antioxidant systems, adjustment of the transcription factors and accumulation of osmoregulation substance. This work presented meaning information for revealing the anti-cold mechanism of the Momordica Charantia L. seedlings and newsight for further screening of anti-cold species in other plant.