Transcriptomic data reveals the dynamics of terpenoids biosynthesis pathway of fenugreek
- 作者
- Sara Lamei Javan, Arman Beyraghdar Kashkooli, AbdolAli Shojaieyan, Sina Majidian
- 杂志
- BMC Genomics（2024）
- DOI
- 10.1186/s12864-024-10253-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
胡芦巴中重要抗癌化合物薯蓣皂苷元（diosgenin）含量低，茉莉酸甲酯可促进其积累，但其生物合成通路的分子机制和基因表达谱尚未阐明。
研究策略
利用公开的RNA-seq数据集（PRJNA508420）进行从头组装和差异表达分析，结合GO富集与通路分析识别关键基因，并通过实时PCR在三个胡芦巴种群中验证表达变化趋势。
核心内容
该研究基于公开的胡芦巴RNA-seq数据集（PRJNA508420），系统分析了茉莉酸甲酯处理下薯蓣皂苷元生物合成通路的动态转录响应。通过从头组装、差异表达分析及GO功能富集，筛选出多个关键酶基因，并利用实时PCR在三个胡芦巴种群中验证了表达趋势。结果显示，0.01%茉莉酸甲酯处理使薯蓣皂苷元含量提高10.5倍；转录组分析发现120小时处理后5491个转录本上调，为6小时时的2.1倍，而72小时出现14239个转录本下调。qPCR验证表明，Bushehr种群72小时时SQS表达上调155.03倍，SEP上调43.67倍，Δ24（SSR）上调约150倍，埃及种群CAS上调46.60倍。通路中Δ24持续上调而BGL下调，SMT1先升后降，提示Δ24在甾醇分支点正向引导代谢流向薯蓣皂苷元合成，SMT1与之拮抗。该研究揭示了茉莉酸甲酯促进薯蓣皂苷元积累的分子机制，为通过代谢工程改造胡芦巴以提高目标产物产量提供了明确靶点。
创新点
系统整合多个时间点（6-120h）的转录组数据，动态揭示薯蓣皂苷元生物合成通路基因对茉莉酸甲酯的响应；通过qPCR验证了生物信息学分析，并指出Δ24与SMT1在分支点对代谢流方向的调节作用。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路（甲羟戊酸通路下游甾醇合成） | SQS | 角鲨烯合成酶（Squalene synthase） | 催化 | 催化两分子法尼基焦磷酸缩合生成角鲨烯，是甾醇合成的第一个限速步骤；茉莉酸甲酯处理6h表达为对照2倍，qPCR在Bushehr种群72h达155.03倍。 |
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路 | SEP | 角鲨烯环氧酶（Squalene epoxidase） | 催化 | 催化角鲨烯环氧化生成2,3-氧化鲨烯；qPCR在Bushehr种群72h表达上调43.67倍。 |
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路 | CAS | 环阿屯醇合酶（Cycloartenol synthase） | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化生成环阿屯醇，是甾醇生物合成的限速酶；qPCR在埃及种群72h上调46.60倍。 |
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路 | SMT1 | 甾醇甲基转移酶1（Sterol methyltransferase 1） | 催化 | 催化环阿屯醇生成24-亚甲基环阿屯醇，与Δ24形成分支点；其高表达与薯蓣皂苷元积累负相关，茉莉酸甲酯处理后12h内短暂上调后下降。 |
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路 | Δ24（SSR） | Δ24-甾醇还原酶（Delta24-sterol reductase / sterol side chain reductase） | 催化 | 催化环阿屯醇侧链还原，决定胆固醇合成方向并引导代谢流流向薯蓣皂苷元；RNA-seq显示持续上调，qPCR在Bushehr种群72h表达上调约150倍。 |
| Trigonella foenum-graecum（胡芦巴） | 薯蓣皂苷元生物合成通路 | BGL | β-葡萄糖苷酶（Beta-glucosidase） | 催化 | 参与糖苷水解，其表达在茉莉酸甲酯处理后随时间下降，可能有利于薯蓣皂苷元保持游离形式而非糖苷形式。 |
关键发现
- 01%茉莉酸甲酯处理使胡芦巴幼苗中薯蓣皂苷元含量提高10.5倍
- RNA-seq分析显示120h处理后有5491个转录本上调（为6h的2.1倍），72h有14239个转录本下调，24h上调最少（1501个）
- SQS在6h表达为对照的2倍
- qPCR验证表明Bushehr种群72h时SQS表达上调155.03倍、SEP上调43.67倍、SSR(Δ24)上调约150倍，CAS在埃及种群72h上调46.60倍
- Δ24持续上调而BGL下调，SMT1先升后降。
研究结论
茉莉酸甲酯通过上调SQS、SEP、CAS、Δ24等关键基因促进薯蓣皂苷元生物合成，其中Δ24在分支点正向引导代谢流，SMT1则与之拮抗；研究验证了转录组分析的可靠性，为通过代谢工程提高胡芦巴中薯蓣皂苷元产量提供了靶点。