Transcriptome and metabolome analysis to reveal major genes of saikosaponin biosynthesis in Bupleurum chinense
- 作者
- Yilian He, Hua Chen, Jun Zhao, Yuxia Yang, Bin Yang, Liang Feng, Yiguan Zhang, Ping Wei, Dabin Hou, Junning Zhao, Ma Yu
- 单位
- School of life science and engineering, Southwest University of Science and Technology; Institute of Medicinal Plant Resources, Sichuan Academy of Traditional Chinese Medicine Sciences; Sichuan Institute for Translational Chinese Medicine; Laboratory of Medicinal Plant Cultivation, Institute of Medicinal Plant Development (IMPLAD), Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College
- 杂志
- BMC Genomics（2021）
- DOI
- 10.1186/s12864-021-08144-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
柴胡皂苷生物合成途径中的关键基因及其调控机制尚不清楚
研究策略
利用高通量RNA-seq和液相色谱-质谱联用技术对柴胡根、茎、叶、花进行转录组和代谢组分析，通过Pearson相关分析、qRT-PCR验证及亚细胞定位等手段筛选关键基因
核心内容
本研究整合转录组与代谢组分析，对柴胡的根、茎、叶、花四个器官进行高通量RNA-seq和液相色谱-质谱联用检测，旨在揭示柴胡皂苷生物合成的关键基因及调控机制。共鉴定600个代谢物并组装获得93,486个unigenes，通过Pearson相关性分析筛选出152对显著相关的基因-代谢物互作，涉及SSa、SSb、SSd三种皂苷和77个unigenes，分属AACT、HMGS、HMGR、MVD、DXS、FPPS、β-AS及P450等家族。代谢物积累呈现明显组织特异性，SSb和SSd在根中相对丰度显著高于其他器官，而SSa在花中最高。经qRT-PCR验证，11/15个基因在根中高表达，其中两个P450候选基因Bc95697和Bc35434在根中表达量显著高于其他组织，亚细胞定位证实二者定位于内质网，且其表达水平与根中SSa和SSd含量显著相关。结果表明AACT、FPPS、HMGR、β-AS和P450家族基因是柴胡皂苷合成的关键调控点，Bc12259、Bc73413、Bc12368、Bc61215、Bc95697和Bc35434可作为柴胡遗传改良的候选靶基因。
创新点
首次整合转录组和代谢组剖析柴胡四个器官的皂苷合成差异；筛选出152对显著相关的基因-代谢物互作，包括77个unigenes；鉴定出Bc95697和Bc35434两个P450候选基因，并证实其定位于内质网，与根中SSa和SSd含量显著相关
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bupleurum chinense DC. | MVA途径（甲羟戊酸途径） | Bc12259 | Acetoacetyl-CoA transferase | 催化 | 与SSd和SSb积累显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | MVA途径（甲羟戊酸途径） | Bc14211 | Acetoacetyl-CoA transferase | 催化 | 在花中高表达 |
| Bupleurum chinense DC. | MVA途径（甲羟戊酸途径） | Bc73413 | HMG-CoA reductase | 催化 | 在根中高表达，与SSd和SSb显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | MEP途径（甲基赤藓醇磷酸途径） | Bc37389 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 在花中高表达，与SSd和SSb显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | MEP途径（甲基赤藓醇磷酸途径） | Bc90229 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 与SSd和SSb显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | MEP途径（甲基赤藓醇磷酸途径） | Bc48559 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 与SSd和SSb显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | 萜类骨架合成（MVA/MEP下游） | Bc12368 | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 在根中表达最高，与SSb和SSd显著相关 |
| Bupleurum chinense DC. | 萜类骨架合成（MVA/MEP下游） | Bc47895 | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 在花中高表达 |
| Bupleurum chinense DC. | 三萜皂苷生物合成（2,3-氧化鲨烯环化） | Bc61215 | β-amyrin synthase | 催化 | 与SSd和SSb显著相关，在根中高表达 |
| Bupleurum chinense DC. | 三萜皂苷生物合成（2,3-氧化鲨烯环化） | Bc49808 | β-amyrin synthase | 催化 | 在花中高表达 |
| Bupleurum chinense DC. | 三萜皂苷生物合成（后修饰氧化） | Bc95697 | Cytochrome P450 | 催化 | 定位于内质网，与SSb和SSd显著相关，根中高表达 |
| Bupleurum chinense DC. | 三萜皂苷生物合成（后修饰氧化） | Bc35434 | Cytochrome P450 | 催化 | 定位于内质网，与SSb和SSd显著相关，根中高表达 |
关键发现
- 共鉴定600个代谢物，组装获得93,486个unigenes
- Pearson相关性分析发现152对显著相关（P<0.05），涉及3种皂苷（SSa、SSb、SSd）和77个unigenes，这些unigenes分属AACT(6)、HMGS(2)、HMGR(2)、MVD(1)、DXS(3)、FPPS(11)、β-AS(13)和P450(39)家族
- SSb和SSd在根中的相对丰度显著高于茎、叶、花，SSa在花中最高
- 实时定量PCR验证11/15个基因在根中高表达
- Bc95697和Bc35434（P450）在根中表达显著高于其他组织（P<0.01），且LC-MS显示SSa和SSd含量在根中也显著更高（P<0.01）。
研究结论
AACT、FPPS、HMGR、β-AS和P450家族基因是柴胡皂苷生物合成的关键调控点，其中Bc12259、Bc73413、Bc12368、Bc61215、Bc95697和Bc35434可作为柴胡遗传改良的候选基因。