Integrated transcriptomic and metabolomic analyses reveal tissue-specific accumulation and expression patterns of monoterpene glycosides, galloglycosides, and flavonoids in Paeonia Lactiflora Pall.
- 作者
- Pan Xu, Jinghui Li, Cuiting Chen, Jing Chen, Meiping Yang, Huimin Deng, Xuechun Jiang, Kelang Lou, Xiaojun Wu, Rubing Chen, Yijuan Hu, Weiqing Liang, Jinbao Pu
- 单位
- 浙江省中医药研究院; 浙江省道地药材质量评估与开发工程技术研究中心; 浙江中医药大学; 大盘山国家级自然保护区管理局; 磐安县中医药创新发展研究院
- 杂志
- BMC Genomics（2025）
- DOI
- 10.1186/s12864-025-11750-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析芍药（Paeonia lactiflora Pall.）中单萜苷、没食子酰糖苷和黄酮类化合物在不同组织中的积累差异及其分子机制，并鉴定关键生物合成基因。
研究策略
整合非靶向代谢组学和转录组学，通过差异代谢物和差异表达基因分析、KEGG富集、系统发育分析、相关性网络分析、WGCNA共表达网络分析以及蛋白结构预测，筛选和验证候选基因。
核心内容
本研究整合非靶向代谢组学与转录组学，系统解析了芍药不同组织中单萜苷、没食子酰糖苷及黄酮类化合物的积累差异及其分子机制。共鉴定1406个代谢物和289,313个unigenes，PCA累计解释69.1%方差，BUSCO完整度达90.02%。差异分析获得368个显著差异代谢物和23,068个差异表达基因，其中根中积累8个单萜苷、2个没食子酰糖苷和18个黄酮，并相应有16、2和9个结构基因高表达。通过系统发育、相关性网络及WGCNA共表达分析，筛选出9个CYP450和2个UGT作为单萜苷候选基因，14个UGT作为黄酮候选基因；蛋白结构预测显示CYP71AN24.1与CYP71A1.1的TM-score为0.969（RMSD 0.97 Å），UGT89B2与SmUGT89B2的TM-score为0.956（RMSD 1.80 Å）。qRT-PCR验证12个基因与RNA-seq数据的相关系数介于0.8220至0.9999。最终确定CYP71AN24.1、UGT91A1.1和UGT89B2为参与芍药单萜苷和黄酮生物合成的关键新基因，为通过代谢工程优化芍药活性成分合成奠定了理论基础。
创新点
首次在芍药中系统鉴定单萜苷生物合成相关的9个CYP450和2个UGT新候选基因，以及黄酮生物合成相关的14个UGT新候选基因；通过多组学整合与结构相似性分析，确定CYP71AN24.1、UGT91A1.1和UGT89B2为关键的新功能基因。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MVA途径） | ACAT | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MVA途径） | HMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MVA途径） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 结构基因，多个同源基因在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MVA途径） | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MVA途径） | MVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 结构基因，MVD2在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 结构基因，DXS2在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | ISPD2 | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶2 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | ISPE | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | ISPF | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | ISPG | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸合酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（MEP途径） | ISPH | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（异戊烯基焦磷酸代谢） | IDI2 | 异戊烯基焦磷酸异构酶2 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（萜烯骨架合成） | GPPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 结构基因，在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（萜烯环化） | PIN | (-)-α-松油醇合酶 | 催化 | 结构基因，可能催化α-蒎烯合成 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（苯甲酰基修饰） | BAHD | 苯甲醇乙酰转移酶 | 催化 | 参与苯甲酰基转移 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71E1 | CYP71E1 | 催化 | 候选基因，与芍药苷等累积显著相关 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71AN24.1 | CYP71AN24.1 | 催化 | 候选基因，根特异性高表达，结构预测与CYP71A1.1高度相似 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71AN24.2 | CYP71AN24.2 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71AN24.3 | CYP71AN24.3 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71AU50.2 | CYP71AU50.2 | 催化 | 候选基因，与苯甲酰芍药苷显著相关 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP71E7.2 | CYP71E7.2 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP76B10.2 | CYP76B10.2 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP82A3.3 | CYP82A3.3 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（后修饰） | CYP78A6 | CYP78A6 | 催化 | 候选基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（糖基化） | UGT88A1 | UGT88A1 | 催化 | 候选基因，与单萜糖基化相关 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 单萜苷生物合成（糖基化） | UGT91A1.1 | UGT91A1.1 | 催化 | 候选基因，结构上与GpUGT91A1保守 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（莽草酸途径） | AroB.1 | 3-脱氢奎宁酸合酶1 | 催化 | 结构基因，在果实中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（莽草酸途径） | AroB.2 | 3-脱氢奎宁酸合酶2 | 催化 | 结构基因，在叶片中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（莽草酸途径） | AroE | 莽草酸脱氢酶 | 催化 | 结构基因，AroE.4与GGs积累显著相关 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（莽草酸途径） | AroZ | 3-脱氢莽草酸脱水酶 | 催化 | 结构基因，在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（糖基化） | UGT84A24.1 | UDP-糖基转移酶84A24.1 | 催化 | 候选基因，与2GG、3GG积累显著相关 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 没食子酰糖苷生物合成（糖基化） | UGT84A24.2 | UDP-糖基转移酶84A24.2 | 催化 | 候选基因，在根中高表达 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（苯丙烷途径） | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（苯丙烷途径） | C4H | 肉桂酸-4-羟化酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（苯丙烷途径） | 4CL | 4-香豆酸辅酶A连接酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（核心黄酮途径） | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（核心黄酮途径） | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 结构基因 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（核心黄酮途径） | F3H | 黄烷酮-3-羟化酶 | 催化 | 结构基因，也在hub基因中 |
| Paeonia lactiflora Pall. | 黄酮生物合成（黄酮醇/花青素分支） | F3'H | 类黄酮-3'-羟化酶 | 催化 | 结构基因 |
关键发现
- 共鉴定1406个代谢物（分属11类），PCA累计解释69.1%方差；获得289,313个unigenes（平均长度394 bp，N50=410 bp，BUSCO完整度90.02%）。共鉴定368个显著差异代谢物和23,068个差异表达基因。其中与单萜苷相关DEMs 19个、DEGs 90个；与没食子酰糖苷相关DEMs 10个、DEGs 14个；与黄酮相关DEMs 205个、DEGs 67个。根中积累8个单萜苷、2个没食子酰糖苷和18个黄酮，且分别有16、2和9个结构基因高表达。通过系统发育和表达分析鉴定出9个CYP450和2个UGT为单萜苷候选基因，14个UGT为黄酮候选基因。相关性分析优先列出CYP71E1、CYP71AN24.1、CYP71AU50.2、UGT91A1.1（单萜苷）和UGT71K1.4、UGT89B2、UGT73C25、UGT71K1.2（黄酮）。WGCNA鉴定出24个单萜苷和18个黄酮hub基因。蛋白结构预测显示CYP71AN24.1与CYP71A1.1的TM-score为0.969（RMSD
- 97 Å），UGT89B2与SmUGT89B2的TM-score为0.956（RMSD
- 80 Å）。qRT-PCR验证12个基因，与RNA-seq相关系数0.8220-0.9999。
研究结论
本研究通过整合组学分析，确定了CYP71AN24.1、UGT91A1.1和UGT89B2为参与芍药单萜苷和黄酮生物合成的新基因，为未来通过代谢工程优化芍药主要活性成分的生物合成提供了重要的理论基础。