Comparative transcriptome analysis of shoot and root tissue of Bacopa monnieri identifies potential genes related to triterpenoid saponin biosynthesis
- 作者
- Gajendra Singh Jeena, Shahnoor Fatima, Pragya Tripathi, Swati Upadhyay, Rakesh Kumar Shukla
- 单位
- Biotechnology Division, Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants (CSIR-CIMAP), Lucknow 226015, India
- 杂志
- BMC Genomics（2017）
- DOI
- 10.1186/s12864-017-3865-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Bacopa monnieri（假马齿苋）中三萜皂苷（bacoside）生物合成相关转录本及其调控机制缺乏系统研究，限制了通过代谢工程提高其药用活性成分的潜力。
研究策略
对Bacopa monnieri的茎和根组织进行Illumina HiSeq 2000双端转录组测序，经de novo组装、功能注释（NR、UniProt、KEGG）、差异表达分析（DESeq），结合qRT-PCR验证候选基因，并分析MeJA和创伤处理后的表达变化。
核心内容
该研究对药用植物假马齿苋的茎和根组织进行了Illumina HiSeq 2000双端转录组测序，通过de novo组装、功能注释和差异表达分析，系统鉴定了参与三萜皂苷生物合成的候选基因。茎和根分别获得约22.48百万和22.0百万高质量reads，根中注释到26,412个基因，茎中18,500个基因；共鉴定出根中194个CYP450和117个UGT，茎中169个CYP450和95个UGT，其中29个CYP450和27个UGT在茎中上调。qRT-PCR验证显示，甲羟戊酸途径关键酶基因在茎中显著高表达，5-磷酸甲羟戊酸激酶上调58倍、HMG-CoA还原酶上调57倍、角鲨烯单加氧酶上调47倍。MeJA和创伤处理3小时后，角鲨烯单加氧酶、异黄酮2'羟化酶和NAC-2转录因子在茎中上调约50倍。该研究提供了假马齿苋首个比较转录组资源，揭示了茎和根组织在三萜皂苷生物合成中的分工，为通过代谢工程提高bacoside含量奠定了基因资源基础。
创新点
['首次对Bacopa monnieri进行茎-根比较de novo转录组分析', '系统鉴定了参与三萜皂苷生物合成的CYP450、UGT和转录因子家族', '结合MeJA和创伤处理揭示次级代谢通路基因的组织特异性调控']
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | HMGR | 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶，根中表达高，MeJA处理后上调 |
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 参与甲羟戊酸磷酸化 |
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | qRT-PCR验证上调58倍 |
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | MVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 参与IPP合成 |
| Bacopa monnieri | 萜类前体合成 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化FPP生成 |
| Bacopa monnieri | 三萜骨架合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 根中特异表达，qRT-PCR上调33倍 |
| Bacopa monnieri | 三萜骨架合成 | SQE | 角鲨烯单加氧酶/环氧酶 | 催化 | 茎中上调，MeJA处理后约50倍 |
| Bacopa monnieri | 三萜皂苷合成 | β-AS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC家族，根中表达较高，MeJA和创伤诱导 |
| Bacopa monnieri | 甾醇/三萜合成 | CAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 参与甾醇和三萜骨架环化 |
| Bacopa monnieri | 三萜皂苷修饰 | CYP450 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 茎中29个上调，参与氧化/羟基化 |
| Bacopa monnieri | 三萜皂苷修饰 | UGT | UDP-糖基转移酶 | 催化 | 茎中27个上调，参与糖基化 |
| Bacopa monnieri | 次级代谢调控 | MYB, NAC, bHLH, WRKY, AREBP | 转录因子 | 调控 | 组织特异表达，MeJA和创伤后NAC和bHLH响应显著 |
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | AACT | 乙酰辅酶A C-乙酰转移酶 | 催化 | 根中高表达，启动MVA途径 |
| Bacopa monnieri | 甲羟戊酸(MVA)途径 | HMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 根中表达较高 |
| Bacopa monnieri | 苯丙烷途径 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 根中高表达，参与黄酮类合成 |
| Bacopa monnieri | 苯丙烷/木质素途径 | CAD | 肉桂醇脱氢酶 | 催化 | 根中上调，MeJA和创伤后茎中诱导 |
| Bacopa monnieri | 甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 茎中表达高于根 |
| Bacopa monnieri | 甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 茎中表达较高 |
关键发现
- 茎和根组织分别获得22.48百万和22.0百万高质量reads
- 根中注释到26,412个基因，茎中18,500个基因
- 37,918个根unigenes和35,130个茎unigenes映射到133个KEGG通路。DGE分析显示246,584个unigenes差异表达，其中40,055个根特异、5,531个茎特异。茎中有36个unigenes、根中有51个unigenes参与三萜生物合成。共鉴定根中194个CYP450和117个UGT，茎中169个CYP450和95个UGT，其中29个CYP450和27个UGT在茎中上调。qRT-PCR验证显示5-磷酸甲羟戊酸激酶上调58倍、HMG-CoA还原酶57倍、角鲨烯单加氧酶47倍、异黄酮2'羟化酶37倍、角鲨烯合酶33倍。MeJA和创伤处理3小时后多数转录本表达增强，其中角鲨烯单加氧酶、异黄酮2'羟化酶和NAC-2转录因子在茎中上调约50倍。
研究结论
本研究提供了Bacopa monnieri首个de novo转录组资源，鉴定了三萜皂苷生物合成及调控相关的候选基因，揭示了茎和根组织在生物合成和修饰中的分工，为后续通过代谢工程提高bacoside含量奠定了基础。