DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1539445
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40406714
تاريخ النشر: 2025-05-08
المؤلف: Shangnian Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الديناميكا الدوائية للنباتات الطبية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير توفر النيتروجين على نمو وإنتاج المستقلبات الثانوية للنبات الطبي *Epimedium pubescens*، مع التركيز على التوازن بين تراكم الكتلة الحيوية وإنتاج الفلافونويد. من خلال تحليل فيزيولوجي شامل وتحليل النسخ عبر خمسة مستويات من النيتروجين (0، 3.5، 7.5، 15، و22.5 مليمول NO₃⁻)، تكشف الدراسة أن النيتروجين المعتدل (7.5 مليمول NO₃⁻) يعزز بشكل كبير الكتلة الحيوية (22%-53% أعلى من ظروف النيتروجين المنخفض والعالي) ويزيد من إنتاج فلافونويد نوع إيكارين (19%-34% أعلى من النيتروجين المنخفض والعالي). على العكس، تؤثر مستويات النيتروجين القصوى (المنخفضة والعالية) سلبًا على كفاءة التمثيل الضوئي (18%-20% انخفاض) وتؤدي إلى تعطيل توازن الكربون والنيتروجين، مما يؤدي إلى تقليل تخليق الفلافونويد بسبب إعادة توزيع الكربون المتضررة.
تشير تحليل النسخ الزمنية إلى أنماط استجابة مميزة لمستويات النيتروجين، حيث يؤدي النيتروجين المنخفض إلى تغييرات نسخية في المرحلة المتوسطة (36 يومًا بعد المعالجة) وتحدث استجابات النيتروجين العالي لاحقًا (48 يومًا). تحدد تحليل شبكة التعبير الجيني المشترك (WGCNA) وحدة grey60 كمنظم رئيسي لتمثيل الكربون والنيتروجين ومعالجة mRNA. تبرز الدراسة الجينات المرشحة الحرجة، مثل *EpF3H* و*UGT*، كمنظمات أساسية لتخليق فلافونويد إيكارين المعتمد على النيتروجين. توفر هذه النتائج فهمًا أساسيًا للآليات التنظيمية المعتمدة على النيتروجين التي تؤثر على النمو والتمثيل الغذائي الثانوي في *E. pubescens*، مما يقدم رؤى لتحسين استراتيجيات تخصيب النيتروجين وتربية أصناف فعالة من حيث النيتروجين.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للنيتروجين كعنصر غذائي كبير في نمو النباتات، مع التأكيد على أهميته في تخليق الجزيئات الحيوية الأساسية وتأثيره على الإنتاجية الزراعية. يؤثر نقص النيتروجين سلبًا على تمثيل الكربون، وخاصة في التمثيل الضوئي، مما يؤدي إلى تقليل غلة المحاصيل وجودتها. على العكس، يمكن أن يؤدي الإفراط في تخصيب النيتروجين إلى تثبيط نمو الجذور، وتقليل كفاءة استخدام النيتروجين (NUE)، والمساهمة في مشكلات بيئية مثل تسرب النترات وزيادة انتشار الآفات. وهذا يبرز الحاجة إلى البحث في استجابات النباتات لمستويات النيتروجين المتغيرة وتطوير أصناف فعالة من حيث النيتروجين.
كما يقدم القسم *Epimedium pubescens*، وهو نبات طبي ذو قيمة في الطب الصيني التقليدي، ويناقش أهمية إدارة النيتروجين في تحسين إنتاج الكتلة الحيوية والمستقلبات الثانوية، وخاصة الفلافونويدات. تشير الدراسات السابقة إلى أن توفر النيتروجين يؤثر على تخليق الفلافونويد من خلال إعادة توزيع موارد الكربون. يفترض المؤلفون أن مستويات النيتروجين تنظم تقسيم الكربون وتراكم الفلافونويد في *E. pubescens* من خلال إعادة برمجة التمثيل الغذائي. للتحقيق في ذلك، يخططون لتحليل معايير النمو، والمستقلبات الأولية، ومركبات فلافونويد إيكارين تحت ظروف نيتروجين مختلفة، باستخدام النسخ المقارن لتوضيح الشبكات التنظيمية المعنية. تهدف هذه الدراسة إلى إبلاغ إدارة النيتروجين الدقيقة وتعزيز زراعة *E. pubescens* تحت بيئات نيتروجين متغيرة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على شتلات عمرها عام واحد من *Epimedium pubescens* من مدينة دازهو، مقاطعة سيتشوان، وتم التحقق منها من قبل البروفيسور باولين قوه. تم تكييف الشتلات في بيئة دفيئة محكومة قبل أن تخضع لعلاجات النيتروجين. تم إنشاء خمسة تدرجات من تركيز النترات: نيتروجين منخفض (LN، 0 مليمول NO₃⁻)، نيتروجين منخفض إلى متوسط (LM، 3.75 مليمول NO₃⁻)، نيتروجين متوسط (MN، 7.5 مليمول NO₃⁻)، نيتروجين متوسط إلى عالي (MH، 15 مليمول NO₃⁻)، ونيتروجين عالي (HN، 22.5 مليمول NO₃⁻). تم صياغة محاليل المغذيات بعناية للحفاظ على التوازن الأيوني وضبطها إلى درجة حموضة 6.5.
شمل كل علاج 36 شتلة، وتم إعطاء محاليل المغذيات كل 10 أيام. تم جمع عينات الأوراق في ثلاث نقاط زمنية تطويرية (24، 36، و48 يومًا بعد بدء العلاج) لملف النسخ. من الجدير بالذكر أنه في اليوم 48، أظهرت النباتات في علاج LN اصفرارًا في الأوراق القديمة، بينما أظهرت تلك في علاج HN نخرًا، مما يدل على استجابات فسيولوجية كبيرة لمستويات النيتروجين. تم إجراء التصنيف النهائي وأخذ العينات التدميرية في هذه المرحلة لتقييم تأثيرات علاج النيتروجين على صحة النبات وتطوره.
المناقشة
في هذا القسم، تبحث الدراسة في تأثيرات مستويات النيتروجين المتغيرة على النمو، وخصائص التمثيل الضوئي، ومحتوى المستقلبات في *E. pubescens*. تم أخذ قياسات لبارامترات التمثيل الضوئي وقيم SPAD في 48 يومًا بعد العلاج (DAT)، مما يكشف أن مستويات النيتروجين المعتدلة (MN) عززت بشكل كبير التمثيل الضوئي ومحتوى الكلوروفيل مقارنة بعلاجات النيتروجين المنخفض (LN) والعالي (HN). على وجه التحديد، كانت معدل التمثيل الضوئي تحت MN هو 0.74 ± 0.05 مليمول CO₂·م⁻²·ث⁻¹، وهو أعلى بشكل ملحوظ من كل من علاجات LN وHN (p < 0.05). بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن وزن الأوراق الجاف والكتلة الحيوية العامة للنبات كانت مثلى تحت ظروف MN، بينما أثر كل من نقص النيتروجين والزيادة سلبًا على النمو، وخاصة كتلة الأوراق. أشار تحليل تمثيل النيتروجين والكربون إلى أن محتوى النيتروجين في الأوراق كان الأدنى في LN والأعلى في HN، مع ملاحظات عوائد متناقصة عند مستويات النيتروجين الزائدة. انخفضت كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) مع زيادة تطبيق النيتروجين، وخاصة في علاجات HN. كما أبرزت الدراسة أن مستويات السكريات القابلة للذوبان والنشا بلغت ذروتها تحت MN، مما يبرز الدور الحاسم للنيتروجين في تمثيل الكربون. علاوة على ذلك، كان محتوى فلافونويدات نوع إيكارين أعلى بشكل ملحوظ في النباتات المعالجة بـ MN، مما يبرز أهمية توفير النيتروجين الأمثل لتخليق هذه المركبات النشطة بيولوجيًا. كشف تحليل النسخ عن أنماط مميزة من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) عبر العلاجات، حيث أظهرت LN وHN تغييرات كبيرة في المسارات الأيضية المتعلقة بتمثيل الكربوهيدرات والنيتروجين، فضلاً عن تخليق الفلافونويد، مما يوضح الآليات الجزيئية الكامنة وراء التباينات الظاهرة في الصفات الظاهرة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1539445
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40406714
Publication Date: 2025-05-08
Author(s): Shangnian Liu et al.
Primary Topic: Medicinal Plant Pharmacodynamics Research
Overview
This research investigates the impact of nitrogen availability on the growth and secondary metabolite production of the medicinal plant *Epimedium pubescens*, focusing on the balance between biomass accumulation and flavonoid production. Through a comprehensive physiological and transcriptomic analysis across five nitrogen levels (0, 3.5, 7.5, 15, and 22.5 mM NO₃⁻), the study reveals that moderate nitrogen (7.5 mM NO₃⁻) significantly enhances biomass (22%-53% higher than low and high nitrogen conditions) and maximizes Icariin-type flavonoid production (19%-34% higher than low and high nitrogen). Conversely, extreme nitrogen levels (both low and high) negatively affect photosynthetic efficiency (18%-20% reduction) and disrupt carbon-nitrogen homeostasis, leading to reduced biosynthesis of flavonoids due to impaired carbon reallocation.
The time-series transcriptomic analysis indicates distinct response patterns to nitrogen levels, with low nitrogen triggering transcriptional changes at mid-stage (36 days after treatment) and high nitrogen responses occurring later (48 days). Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) identifies the grey60 module as a key regulator of carbon-nitrogen metabolism and mRNA processing. The study highlights critical candidate genes, such as *EpF3H* and *UGT*, as essential regulators of nitrogen-mediated Icariin-flavonoid biosynthesis. These findings provide a foundational understanding of the nitrogen-dependent regulatory mechanisms influencing growth and secondary metabolism in *E. pubescens*, offering insights for optimizing nitrogen fertilization strategies and breeding nitrogen-efficient cultivars.
Introduction
The introduction highlights the critical role of nitrogen as a macronutrient in plant growth, emphasizing its importance in synthesizing essential biomolecules and its impact on agricultural productivity. Nitrogen deficiency adversely affects carbon metabolism, particularly in photosynthesis, leading to reduced crop yield and quality. Conversely, excessive nitrogen fertilization can inhibit root growth, decrease nitrogen use efficiency (NUE), and contribute to environmental issues such as nitrate leaching and increased pest prevalence. This underscores the need for research on plant responses to varying nitrogen levels and the development of nitrogen-efficient cultivars.
The section also introduces *Epimedium pubescens*, a medicinal plant valued in traditional Chinese medicine, and discusses the significance of nitrogen management in optimizing biomass and secondary metabolite production, particularly flavonoids. Previous studies indicate that nitrogen availability influences flavonoid biosynthesis by reallocating carbon resources. The authors hypothesize that nitrogen levels regulate carbon partitioning and flavonoid accumulation in *E. pubescens* through metabolic reprogramming. To investigate this, they plan to analyze growth parameters, primary metabolites, and icariin flavonoid compounds under different nitrogen conditions, employing comparative transcriptomics to elucidate the regulatory networks involved. This research aims to inform precision nitrogen management and enhance the cultivation of *E. pubescens* under varying nitrogen environments.
Methods
In this study, one-year-old seedlings of *Epimedium pubescens* were sourced from Dazhou City, Sichuan Province, and authenticated by Prof. Baolin Guo. The seedlings were acclimatized in a controlled greenhouse environment before being subjected to nitrogen treatments. A total of five nitrate concentration gradients were established: Low Nitrogen (LN, 0 mM NO₃⁻), Low to Medium Nitrogen (LM, 3.75 mM NO₃⁻), Medium Nitrogen (MN, 7.5 mM NO₃⁻), Medium to High Nitrogen (MH, 15 mM NO₃⁻), and High Nitrogen (HN, 22.5 mM NO₃⁻). Nutrient solutions were carefully formulated to maintain ionic balance and adjusted to a pH of 6.5.
Each treatment involved 36 seedlings, with nutrient solutions administered every 10 days. Leaf samples were collected at three developmental time points (24, 36, and 48 days after treatment initiation) for transcriptome profiling. Notably, at 48 days, plants in the LN treatment exhibited chlorosis in older leaves, while those in the HN treatment showed necrosis, indicating significant physiological responses to nitrogen levels. Final phenotyping and destructive sampling were conducted at this stage to assess the effects of nitrogen treatment on plant health and development.
Discussion
In this section, the research investigates the effects of varying nitrogen levels on the growth, photosynthetic properties, and metabolite content of *E. pubescens*. Measurements of photosynthetic parameters and SPAD values were taken at 48 days after treatment (DAT), revealing that moderate nitrogen (MN) levels significantly enhanced photosynthesis and chlorophyll content compared to low nitrogen (LN) and high nitrogen (HN) treatments. Specifically, the photosynthetic rate under MN was 0.74 ± 0.05 mmol CO₂·m⁻²·s⁻¹, which was notably higher than both LN and HN treatments (p < 0.05). Additionally, the study found that leaf dry weight and overall plant biomass were optimized under MN conditions, while both nitrogen deficiency and excess negatively impacted growth, particularly leaf biomass. The analysis of nitrogen and carbon metabolism indicated that nitrogen content in leaves was lowest in LN and highest in HN, with diminishing returns observed at excessive nitrogen levels. Nitrogen use efficiency (NUE) decreased with increased nitrogen application, particularly in HN treatments. The study also highlighted that soluble sugars and starch levels peaked under MN, emphasizing the critical role of nitrogen in carbon metabolism. Furthermore, the content of Icariin-type flavonoids was significantly higher in MN-treated plants, underscoring the importance of optimal nitrogen supply for the synthesis of these bioactive compounds. Transcriptome analysis revealed distinct patterns of differentially expressed genes (DEGs) across treatments, with LN and HN showing significant alterations in metabolic pathways related to carbohydrate and nitrogen metabolism, as well as flavonoid biosynthesis, thereby elucidating the molecular mechanisms underlying the observed phenotypic variations.