太子参(Pseudostellaria heterophylla)为多年生草本的石竹科植物,主产于福建、安徽、贵州、江苏、山东等地,具有极高的药用价值。然而人工栽培的过程中面临着严重的连作障碍问题,连作导致太子参地上部、地下部长势变劣,块根无法正常膨大,土传病害严重,造成产量、药用品质的降低。有研究表明:药用植物地黄连作导致根际微生物群落结构失衡,有益菌减少而病原菌增加,而且会引起植物细胞中钙离子从内质网向细胞质流动,增加细胞质钙离子浓度,引起钙信号系统相关基因的差异表达。前人研究认为,钙信号系统参与了地黄等植物连作障碍效应的感知、传导以及信号的级联放大等过程。课题组前期研究发现,太子参连作同样也导致根际微生态环境恶化,尤其是发现病原菌尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)大量增长。但由于缺乏遗传背景知识,目前有关太子参连作障碍形成的分子机制研究较少,同时有关障碍因子如致病菌侵染下连作植株的分子响应机制以及与钙与信号系统的关系未见报道。据此,基于构建的太子参无菌苗组织培养体系,本研究以前期从重茬太子参根际土壤中分离鉴定到的太子参专化型致病菌尖孢镰刀菌和福建省柘荣县广泛种植的“柘参2号”太子参为实验材料,通过转录组高通量测序技术对致病菌尖孢镰刀菌侵染下不同时期太子参组培苗的响应机制进行系统分析,运用荧光定量PCR技术对关键代谢通路中的差异表达基因加以验证,同时深入探讨了钙信号通路中CaM、CDPK、CIPK、CBL基因在连作太子参不同生育时期的时空差异表达,最后研究了不同浓度钙离子阻断剂三氟拉嗪和肝素钠对尖孢镰刀菌侵染下太子参钙信号基因表达的影响。通过转录组学分析及定量PCR验证发现,病原菌侵染下苯丙氨酸代谢和苯丙烷合成途径中苯丙氨酸解氨酶和咖啡酰辅酶甲基转移酶基因上调表达,酚酸类物质代谢为其它醛类,醇类和木质素类物质的关键基因乙醛脱氢酶、过氧化物酶均下调表达,导致酚酸类物质在植物体内在积累,这可能是连作下太子参土壤中酚酸类自毒物质积累的直接原因;而谷胱甘肽代谢途径中谷胱甘肽积累,黄酮和类黄酮物质则被大量消耗以及牛磺酸的积累均表明太子参在被侵染的过程中启动了自身的先天性免疫机制来抵御病原菌的入侵,消除体内多余的活性氧(ROS);尤为关键的是在植物与病原菌互作的代谢通路中发现钙信号通路中CDPK、CML、CaM等基因上调表达,进一步对钙解码系统的基因和钙编码系统的基因进行定量分析,发现钙解码系统中的CaM、CDPK、CIPK、PLC、CBP基因均上调表达,而钙编码系统中的Annexin、Glutamate receptor 3.3等下调表达,此外,连作太子参不同生育时期钙信号基因均表现出不同程度的上调表达,而且表现出时空特异性,钙离子阻断剂的实验表明肝素钠和三氟拉嗪能削弱太子参被侵染后关键钙信号基因CDPK、CDPK1、CDPK3的表达,而且随着浓度的升高效果越明显,延缓植株的发病,然而还是引起了植株的超敏反应,研究发现与细胞凋亡有关的半胱天冬酶(Metacaspase)、小分子热激蛋白(HSPs)、抗坏血酸氧化酶(Ascorbate pe)roxidase、病程相关蛋白(PR)等基因上调表达,说明植株逐渐走向凋亡,这可能是连作太子参块根无法正常膨大的重要因素。综上所述,太子参植株通过对病原微生物刺激的感知、传递和转化,引起钙信号系统的级联放大,导致钙信号相关基因表达量的差异,并最终影响植株下游其它抗逆、抗病、先天性防御等相关基因的表达,次级代谢的紊乱也导致植物体内自毒物质积累,最终细胞走向凋亡,产生了太子参连作的各种障碍效应。