Genome-wide identification and expression pattern analysis of NAC family in Taxus yunnanensis and the TyuNAC30 role in paclitaxel production
- 作者
- Jiangtao Fan, Yong Wang, Mengke Dou, Qiuhong Hu, Qing Li, Shengmei Gan, Mingwei Jing, Gang Wang, Xiong Huang
- 单位
- Forest Ecology and Conservation in the Upper Reaches of the Yangtze River Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan Agricultural University; Sichuan Mt. Emei Forest Ecosystem National Observation and Research Station, Sichuan Agricultural University; National Forestry and Grassland Southwest Engineering Technology Research Centre of Taxus, Sichuan Agricultural University
- 杂志
- BMC Genomics（2025）
- DOI
- 10.1186/s12864-025-11916-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
云南红豆杉中NAC转录因子家族缺乏全基因组水平鉴定，且其成员在紫杉醇生物合成中的调控作用尚不清楚。
研究策略
结合生物信息学与实验验证，对T. yunnanensis NAC家族进行全基因组鉴定（HMM搜索、系统发育、基因结构、启动子分析），通过转录组和qRT-PCR分析表达模式，并利用酵母单杂交和荧光素酶报告实验验证TyuNAC30对紫杉醇合成酶基因的调控。
核心内容
本研究首次对云南红豆杉NAC转录因子家族进行全基因组鉴定，共获得44个NAC基因，其分子量为5.87–63.85 kDa，41个蛋白定位于细胞核。基因分布于11条染色体上，5号染色体最多（7个），分散重复（24个）是家族扩张的主要机制，Ka/Ks比值小于1表明受纯化选择。表达模式分析显示TyuNAC10在根中表达较树皮高34倍；MeJA处理后，紫杉醇含量在6小时达峰，10-DAB在3小时达峰，多个合成酶基因（如TyuTBT）在3小时上调5.27倍。功能实验证实TyuNAC30定位于细胞核，通过酵母单杂交和荧光素酶报告实验证明其直接结合TyuDBTNTB启动子并抑制其活性，LUC/Ren比值显著低于对照组，表明TyuNAC30作为转录抑制子负调控紫杉醇生物合成。这一发现揭示了NAC转录因子调控紫杉醇合成的分子机制，为通过调控TyuNAC30提高紫杉醇产量提供了新靶点。
创新点
首次系统鉴定云南红豆杉NAC基因家族（44个）；发现分散重复是家族扩张的主要机制；证实TyuNAC30负调控TyuDBTNTB，揭示了NAC对紫杉醇生物合成的转录调控新机制。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuNAC30 | TyuNAC30 | 调控 | NAC转录因子，定位在细胞核，负调控TyuDBTNTB表达 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuDBTNTB | TyuDBTNTB | 催化 | 紫杉醇合成关键酶（3'-N-debenzoyl-2'-deoxytaxol-N-benzoyltransferase），受TyuNAC30负调控 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuTS | TyuTS | 催化 | 紫杉二烯合酶 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuTAT | TyuTAT | 催化 | 紫杉二烯-5α-醇-O-乙酰转移酶 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuTBT | TyuTBT | 催化 | 紫杉烷2α-O-苯甲酰转移酶 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuDBAT | TyuDBAT | 催化 | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 |
| 云南红豆杉 (Taxus yunnanensis) | 紫杉醇生物合成 | TyuBAPT | TyuBAPT | 催化 | 巴卡亭III-3-氨基-3-苯基丙酰转移酶 |
关键发现
从T. yunnanensis基因组中鉴定出44个NAC基因，分子量5.87-63.85 kDa，pI 6.70-111.62，GRAVY -0.904至0.294，41个蛋白定位在细胞核。基因分布于11条染色体（12号无），5号染色体最多（7个，占15.91%）。重复类型分析显示：分散重复24个，串联重复12个，近端重复8个，无全基因组重复。Ka/Ks比值<1，受纯化选择。与银杏有24个同线性NAC基因，与白鲜3个、丹参1个、长春花1个，与拟南芥无同线性。TyuNAC10在根中表达较树皮高34倍（log2FC=5.09）。MeJA处理后，TyuTAT在叶片3h上调2.56倍，TyuDBTNTB在12h达峰值2.39倍，TyuTBT在树皮3h达5.27倍。紫杉醇含量在MeJA处理6h达峰，10-DAB在3h达峰。TyuNAC30定位于细胞核，直接结合TyuDBTNTB启动子并抑制其活性，LUC/Ren比值显著低于对照。
研究结论
本研究首次对云南红豆杉NAC转录因子家族进行了全基因组鉴定，共44个基因，揭示了其进化特征（分散重复主导）和组织特异性表达模式。功能实验证明TyuNAC30作为转录抑制子直接调控TyuDBTNTB，负调控紫杉醇生物合成，为紫杉醇代谢工程提供了新靶点。