RNA-seq analysis reveals narrow differential gene expression in MEP and MVA pathways responsible for phytochemical divergence in extreme genotypes of Thymus daenensis Celak
- 作者
- Hosein Ahmadi, Reza Fatahi, Zabihollah Zamani, Majid Shokrpour, Morteza Sheikh-Assadi, Peter Poczai
- 单位
- Biotechnology and Breeding Research Group for Medicinal Plants, Department of Horticultural Science & Landscape Engineering, Faculty of Agricultural Science, University of Tehran, Karaj, Iran; Finnish Museum of Natural History, University of Helsinki, Helsinki, Finland
- 杂志
- BMC Genomics（2024）
- DOI
- 10.1186/s12864-024-10164-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析百里香（Thymus daenensis）两个代谢极端基因型（'Zagheh-11'和'Malayer-21'）在植化成分差异背后的转录水平机制，特别是MVA与MEP途径中关键基因的差异表达
研究策略
结合GC-MS、GC-FID和HPLC-PDA代谢物分析，在四个物候期监测次生代谢物变化，选择差异最大的早期开花期进行RNA-seq转录组测序，经denovo组装、差异表达基因鉴定、WGCNA共表达网络以及GO/KEGG富集分析，并用qRT-PCR验证关键基因表达
核心内容
本研究以百里香两个代谢极端基因型‘Zagheh-11’和‘Malayer-21’为材料，结合GC-MS、GC-FID和HPLC-PDA代谢物分析及四个物候期的动态监测，选择差异最显著的早期开花期进行RNA-seq测序，经de novo组装、差异表达基因鉴定、WGCNA共表达网络及GO/KEGG富集分析，并利用qRT-PCR验证关键基因表达。结果显示‘Malayer-21’精油含量（3.8%）约为‘Zagheh-11’（2.9%）的1.65倍，而‘Zagheh-11’中香荆芥酚含量（26.13%）约为‘Malayer-21’（1.12%）的23倍，三萜酸总含量高出约95%。共鉴定出1840个差异表达unigenes。关键基因方面，‘Zagheh-11’中CYP71D180表达量为‘Malayer-21’的630倍，HMGR、β-amyrin 28-单加氧酶等MVA途径基因显著上调；‘Malayer-21’中DXR（log2FC=9.59）、ispG（log2FC=25.14）和γ-萜品烯合酶（log2FC=23.48）等MEP途径基因高表达。研究揭示两种化学型的差异主要由MVA和MEP途径中少数关键基因的差异表达驱动，为定向代谢工程提高目标次生代谢物产量提供了明确靶点。
创新点
首次对T. daenensis两种代谢极端基因型开展系统的转录组-代谢组关联分析，揭示了仅少数关键基因（如HMGR、CYP71D180、DXR、ispG等）在MVA/MEP途径的差异表达足以驱动化学型分化；建立了高质量的转录组组装（316,786个unigenes）并鉴定出1840个差异表达基因，为后续代谢工程提供了潜在靶点
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Thymus daenensis | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=7.8），促进倍半萜和三萜合成 |
| Thymus daenensis | MVA途径 | CYP71D180 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化香荆芥酚合成，在'Zagheh-11'中表达量为'Malayer-21'的630倍（qRT-PCR为1264倍） |
| Thymus daenensis | MVA途径 | β-amyrin 28-monooxygenase | β-香树脂醇28-单加氧酶 | 催化 | 参与三萜酸合成，在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=23.12） |
| Thymus daenensis | MVA途径 | FOLK | 法尼醇激酶 | 催化 | 磷酸化法尼醇生成法尼基焦磷酸，在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=9.66） |
| Thymus daenensis | MVA途径 | FLDH | NADP+依赖的法尼醇脱氢酶 | 催化 | 在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=9.44） |
| Thymus daenensis | MVA途径 | germacrene D synthase | 大牻牛儿烯D合酶 | 催化 | 倍半萜合酶，在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=8.72） |
| Thymus daenensis | MVA途径 | caryophyllene oxide synthase | 石竹烯氧化物合酶 | 催化 | 在'Zagheh-11'中高表达（log2FC=8.94） |
| Thymus daenensis | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 在'Malayer-21'中高表达（log2FC=9.59） |
| Thymus daenensis | MEP途径 | ispG | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸还原酶 | 催化 | 在'Malayer-21'中高表达（log2FC=25.14） |
| Thymus daenensis | MEP途径 | TPS2 | γ-萜品烯合酶 | 催化 | 在'Malayer-21'中高表达（log2FC=23.48），催化生成γ-萜品烯 |
| Thymus daenensis | 萜类生物合成调控 | MYB | MYB转录因子 | 调控 | 在'Malayer-21'中高表达，可能促进腺毛形成和精油积累 |
| Thymus daenensis | 萜类生物合成调控 | HB-HD-ZIP | HD-ZIP转录因子 | 调控 | 在'Malayer-21'中高表达，参与腺毛发育调控 |
| Thymus daenensis | 萜类生物合成调控 | WRKY | WRKY转录因子 | 调控 | 在'Malayer-21'中高表达，可能调控次生代谢物合成 |
| Thymus daenensis | 萜类生物合成调控 | bZIP | bZIP转录因子 | 调控 | 在'Zagheh-11'中表达高于'Malayer-21'，具体功能待验证 |
关键发现
- 'Zagheh-11'精油含量为2.9%，'Malayer-21'为3.8%，后者精油含量约为前者的1.65倍
- 'Zagheh-11'中香荆芥酚含量26.13%，约为'Malayer-21'（1.12%）的23倍
- 'Malayer-21'中百里香酚含量62.15%，比'Zagheh-11'高约10%
- 'Zagheh-11'三种主要三萜酸总含量比'Malayer-21'高约95%
- 共鉴定出1840个差异表达unigenes（948个上调、892个下调）
- 在'Zagheh-11'中，CYP71D180表达量为'Malayer-21'的630倍（qRT-PCR验证为1264倍），HMGR两个unigenes log2FC=7.8，β-amyrin 28-单加氧酶log2FC=23.12，法尼醇激酶log2FC=9.66，大牻牛儿烯D合酶log2FC=8.72
- 在'Malayer-21'中，DXR log2FC=9.59，ispG log2FC=25.14，γ-萜品烯合酶log2FC=23.48
- 'Malayer-21'中赤霉素2-β-双加氧酶表达量约为'Zagheh-11'的1468倍
- 总倍半萜含量'Zagheh-11'（2.93%）比'Malayer-21'（1.98%）高约48%
- 三萜酸含量：桦木酸3.21-6.03 mg/g DW、齐墩果酸1.07-2.23 mg/g DW、熊果酸0.28-0.63 mg/g DW
- 相关分析显示百里香酚与γ-萜品烯负相关（r=-0.80, p<0.01），精油与百里香酚正相关（r=0.75, p<0.01）
研究结论
研究表明，T. daenensis两种化学型的差异主要源于MVA和MEP途径中少数关键基因的差异表达：'Zagheh-11'中MVA途径激活（HMGR、CYP71D180、β-amyrin 28-单加氧酶等）促进了倍半萜、三萜酸和香荆芥酚的积累，而'Malayer-21'中MEP途径相关基因（DXR、ispG、γ-萜品烯合酶）的高表达与百里香酚和精油含量升高相关。这些发现为靶向代谢工程提高目标次生代谢物产量提供了理论依据