Transcriptomic analysis of wild Cannabis sativa: insights into tissue- and stage-specific expression and secondary metabolic regulation
- 作者
- Jinyuan Hu, Zishi Wang, He Xu, Zhenlong Wang, Ning Li, Rui Feng, Jianyu Yin, Fangru Liu, Baishi Wang
- 杂志
- BMC Genomics（2025）
- DOI
- 10.1186/s12864-025-11697-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析野生大麻不同组织和发育阶段中次级代谢相关基因的表达调控机制，包括差异表达、选择性剪接、lncRNA和遗传变异，为大麻素生物合成优化提供分子基础。
研究策略
对野生大麻的叶、茎、根等13个组织/阶段组合共52个样本进行RNA-seq转录组分析，结合DEGs鉴定、GO/KEGG富集、选择性剪接分析、lncRNA预测与共表达、SNP/INDEL变异检测，并通过qRT-PCR验证关键基因表达。
核心内容
对喜马拉雅野生大麻13个组织/发育阶段组合共52个样本进行系统转录组分析，旨在解析次级代谢的时空调控机制。通过差异表达基因鉴定、GO/KEGG富集、选择性剪接、lncRNA预测及SNP/INDEL变异检测，结合qRT-PCR验证，共鉴定2,530个DEGs，其中叶组织在花期显著富集萜类和苯丙烷代谢相关基因，TPS在叶中FPKM达32.7。此外检测到8,729个选择性剪接事件，外显子跳跃占42.3%；预测3,245个lncRNAs，其中1,084个呈组织特异富集；并发现12,314个SNPs和2,786个INDELs分布在代谢基因中。qRT-PCR证实CBDAS和THCAS在花期叶中分别上调8.2倍和7.8倍。这些结果表明叶组织特别是花期是次级代谢的主要场所，选择性剪接和lncRNA可能协同调控萜类与苯丙烷途径，遗传变异则提供了多样性基础。该研究为野生大麻的代谢工程改造和大麻素合成优化提供了关键的分子资源与调控靶点。
创新点
首次对喜马拉雅野生大麻进行多组织、多发育阶段的系统转录组分析，整合DEGs、AS、lncRNA与变异数据揭示次级代谢调控网络；发现叶组织中TPS和PAL高表达与萜类/苯丙烷生物合成相关；鉴定大量组织特异性lncRNA和代谢基因变异。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cannabis sativa (wild) | 萜类生物合成 | TPS | Terpene synthase | 催化 | 叶组织高表达，FPKM=32.7 |
| Cannabis sativa (wild) | 苯丙烷代谢 | PAL | Phenylalanine ammonia-lyase | 催化 | 叶组织高表达，参与苯丙烷/大麻素前体合成 |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | CBDAS | Cannabidiolic acid synthase | 催化 | 花期叶中上调8.2倍 |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | THCAS | Tetrahydrocannabinolic acid synthase | 催化 | 花期叶中上调7.8倍 |
| Cannabis sativa (wild) | 萜类生物合成 | GPPS | Geranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 提供大麻素生物合成前体GPP |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | OAC | Olivetolic acid cyclase | 催化 | 催化橄榄醇酸环化 |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | AAE1 | Acyl activating enzyme 1 | 催化 | 参与大麻素前体合成 |
| Cannabis sativa (wild) | 脂氧合酶途径 | LOX | Lipoxygenase | 催化 | 与oxylipin代谢相关 |
| Cannabis sativa (wild) | 次生代谢（细胞色素P450） | CYP71D | CYP71D cytochrome P450 | 催化 | 可能参与大麻素结构修饰 |
| Cannabis sativa (wild) | 黄酮/苯丙烷代谢 | CHS | Chalcone synthase | 催化 | 参与黄酮类化合物合成 |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | GOT | Geranylpyrophosphate:olivetolate geranyltransferase | 催化 | 催化CBGA形成 |
| Cannabis sativa (wild) | 大麻素生物合成 | CBCAS | Cannabichromenic acid synthase | 催化 | 参与大麻环萜酚酸合成 |
关键发现
- 共鉴定2,530个DEGs（1,482上调，1,048下调）
- TPS在叶中FPKM=32.7
- B-vs-C比较DEGs最多1,512个，K-vs-L最少450个
- 8,729个AS事件，外显子跳跃占42.3%，内含子保留29.7%
- 预测3,245个lncRNAs，其中1,084个组织特异富集
- 检测到12,314个SNPs和2,786个INDELs
- qRT-PCR验证10个基因，CBDAS在花期叶中上调8.2倍、THCAS上调7.8倍。
研究结论
野生大麻的叶组织在次级代谢中起主导作用，特别是花期；选择性剪接和lncRNA可能参与调控萜类/苯丙烷途径；SNP/INDEL在代谢基因中的分布提示遗传多样性。研究为后续大麻素代谢工程和育种提供了重要资源。