Transcriptomic profiling reveals MEP pathway contributing to ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng
- 作者
- Le Xue, Zilong He, Xiaochun Bi, Wei Xu, Ting Wei, Shuangxiu Wu, Songnian Hu
- 单位
- CAS Key Laboratory of Genome Sciences and Information, Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Microbial Resources, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- BMC Genomics（2019）
- DOI
- 10.1186/s12864-019-5718-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示人参中MEP途径参与人参皂苷生物合成的基因表达特征，并识别MEP途径中的关键酶，为合成生物学调控人参皂苷代谢提供转录组学依据。
研究策略
对1-5年生人参根和5年生不同组织进行深度RNA测序，通过de novo组装获得转录本，注释人参皂苷生物合成相关基因，分析MEP和MVA途径基因表达谱，结合共表达网络预测关键酶，并用qPCR验证。
核心内容
该研究对1至5年生人参根及5年生不同组织进行深度RNA测序，通过de novo组装获得转录本并系统注释人参皂苷生物合成相关基因，重点分析了MEP与MVA两条前体途径的表达谱，结合共表达网络预测关键酶，并用qPCR验证。组装得到48,165个unigenes，N50为1667 bp，共鉴定380个相关基因。结果显示MEP途径中DXS基因家族最大（20个基因、56个异构体），IspD最小（2个基因、10个异构体）；共表达网络中IspD节点度最高（29），且其表达水平在所有组织中最低，提示其为潜在限速酶。组织表达分析表明MEP途径基因在叶片中表达最高，MVA途径在根茎中最高，两类途径在根中总体表达无显著差异，但MEP在叶片中贡献更大。qPCR验证与RNA-seq结果相关系数R>0.825。该工作首次完整注释了人参MEP途径全部酶基因，揭示了该途径在人参皂苷合成中的实际贡献，并提出IspD可作为合成生物学改造的潜在靶点。
创新点
首次在人参中注释了MEP途径全部酶基因；首次揭示MEP途径在人参根中转录丰度与MVA途径相似、在叶片中更高；预测IspD为MEP途径的关键限速酶。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | AACT | 乙酰辅酶A C-乙酰转移酶 | 催化 | MVA途径第一个酶 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | HMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径中基因家族较大的酶 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 低表达基因，潜在调控靶点 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 低表达基因 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MVA途径 | MVD | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | 低表达基因 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个酶，基因家族最大（20个基因、56个异构体） |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | IspD | 2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | 预测的关键酶，表达水平最低，基因家族最小（2个基因、10个异构体），共表达网络中节点度最高（29） |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | IspE | 4-(胞苷5-二磷酸)-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | IspF | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | IspG | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | MEP途径 | IspH | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | IPI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP相互转化 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | GGR | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | SS | 角鲨烯合酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | — |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | DS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成达玛烯二醇II，参与达玛烷型人参皂苷合成 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 三萜骨架合成途径 | β-AS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化生成β-香树脂醇，参与齐墩果烷型人参皂苷合成 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 人参皂苷合成途径 | GT | 糖基转移酶 | 催化 | 基因超家族，负责糖基化修饰 |
| 人参（Panax ginseng）根、叶、根茎、茎、根皮、根芯、侧根等组织 | 人参皂苷合成途径 | CYP450 | 细胞色素P450酶 | 催化 | 基因超家族，负责羟基化修饰 |
关键发现
- de novo组装得到48,165个unigenes，N50为1667 bp，平均长度为1268 bp
- 共鉴定380个与人参皂苷生物合成相关的基因
- MEP途径中DXS基因家族最大（20个基因、56个异构体），IspD最小（2个基因、10个异构体）
- 共表达网络包含113个节点和603条边，IspD节点度最高（29）
- MEP途径基因在叶片中表达量最高，其次为根，MVA途径在根茎中表达量最高
- MEP与MVA途径在根中总体表达水平无显著差异，但在叶片中MEP途径表达更高
- IspD在所有组织中表达水平最低
- qPCR验证与RNA-seq结果相关系数R>0.825
- 生物重复样本MEP通路基因表达相关系数R>0.85
- 本组装N50与已发表基因组数据集相当（1811 bp vs 1446和1790 bp）。
研究结论
在转录水平上，MEP途径对人参根中人参皂苷生物合成的贡献与MVA途径相似，在叶片中贡献更高；IspD可能是MEP途径的关键酶，可作为未来合成生物学改造的潜在靶点。