Whole genome sequencing and comparative genomic analysis of oleaginous red yeast Sporobolomyces pararoseus NGR identifies candidate genes for biotechnological potential and ballistospores-shooting
- 作者
- Chun-Ji Li, Die Zhao, Bing-Xue Li, Ning Zhang, Jian-Yu Yan, Hong-Tao Zou
- 单位
- College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University; College of Agriculture and Biology, Zhongkai University of Agriculture and Engineering; National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University; College of Biological Science and Technology, Shenyang Agricultural University
- 杂志
- BMC Genomics（2020）
- DOI
- 10.1186/s12864-020-6593-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决产油红酵母Sporobolomyces pararoseus NGR缺乏基因组序列信息的问题，限制其生物技术应用（如类胡萝卜素、脂质生产）及掷孢子发射机制的研究。
研究策略
利用Illumina HiSeq 2500平台进行全基因组测序，结合pair-end和mate-pair文库进行de novo组装；通过RNA-seq进行基因模型优化和表达验证；与近缘种Rhodotorula toruloides NP11和Saccharomyces cerevisiae S288C进行比较基因组分析；基于26S rDNA构建系统发育树；对直系同源基因进行Ka/Ks选择压力分析。
核心内容
本研究对产油红酵母Sporobolomyces pararoseus NGR进行了全基因组测序与比较基因组分析，旨在填补其基因组信息空白，为类胡萝卜素和脂质生产等生物技术应用及掷孢子发射机制研究提供基础。通过Illumina HiSeq 2500平台结合pair-end和mate-pair文库完成de novo组装，并利用RNA-seq优化基因模型，最终获得20.9 Mb的基因组，N50达2,038,020 bp，BUSCO完整性为95.4%，预测5963个基因，其中98.68%获得表达证据。比较基因组分析鉴定出1975个物种特异性基因家族，并基于26S rDNA和Ka/Ks分析提出Sporidiobolales目从Sporobolomyces经Rhodosporidiolobus向Rhodotorula的进化轨迹。研究发现孢子萌发基因NGR-1A3721和糖代谢相关基因可能参与掷孢子发射，同时排除了Phs1基因的直接决定作用。该高质量参考基因组为解析类胡萝卜素合成、脂质积累及胁迫响应通路奠定了重要基础，所鉴定的候选基因也为后续遗传操作和代谢工程改造提供了明确靶点。
创新点
首次报道S. pararoseus NGR高质量全基因组序列，组装大小20.9 Mb，N50为2,038,020 bp，BUSCO完整性达95.4%；提出Sporidiobolales目进化轨迹（Sporobolomyces→Rhodosporidiolobus→Rhodotorula）；通过比较基因组学鉴定出与掷孢子发射相关的物种特异基因（如孢子萌发基因NGR-1A3721和糖代谢通路相关基因），并排除Phs1基因作为直接决定因素。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成 | crt1 | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 负责八氢番茄红素脱氢，参与类胡萝卜素合成 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | 番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 | 催化 | 双功能酶，参与番茄红素合成 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化GGPP合成，类异戊二烯前体供给 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 脂质代谢 | — | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 脂肪酸从头合成的限速酶 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 脂质代谢 | — | 酰基-CoA氧化酶 | 催化 | 参与脂肪酸β-氧化 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 脂质代谢 | — | 磷脂:二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 参与三酰甘油合成 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 脂质代谢 | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 提供甘油-3-磷酸骨架用于脂质合成 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 碳水化合物代谢 | — | 丙酮酸脱氢酶 | 催化 | 连接糖酵解与乙酰-CoA供给 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 碳水化合物代谢 | — | 丙酮酸羧化酶 | 催化 | 催化丙酮酸羧化为草酰乙酸，参与回补反应 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 压力响应信号转导 | — | MAPK信号通路蛋白 | 调控 | 参与胁迫响应调控 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 掷孢子发射 | NGR-1A3721 | — | 调控 | 物种特异基因，GO注释为孢子萌发，候选掷孢子形成因子 |
| Sporobolomyces pararoseus NGR | 脂肪酸生物合成 | Phs1 | 3-羟基酰基-CoA脱水酶 | 催化 | 负责极长链脂肪酸合成，但Ka/Ks分析显示与掷孢子发射无直接关系 |
关键发现
- S. pararoseus NGR基因组组装为20.9 Mb，含54个scaffold，N50长度2,038,020 bp，GC含量47.59%，预测基因5963个，平均基因长度1620 bp；BUSCO评估显示95.4%完整度（1273个BUSCOs，其中1268个单拷贝，5个重复）；RNA-seq分析表明98.68%（5884个）基因表达，发现767个新基因。基因注释中，4595个（77.05%）基因在Nr数据库有同源序列，KEGG注释1940个（32.53%），KOG注释3002个（50.34%）。重复序列包含194个tRNA、1753个散在重复序列、2092个串联重复、1178个小卫星DNA和659个微卫星DNA；全长转座子总长132,885 bp（占基因组的0.61%）。比较基因组分析共鉴定14,408个蛋白家族，其中NGR有1975个物种特异性家族（2077个基因），R. toruloides NP11有4102个，S. cerevisiae S288C有4485个。Ka/Ks分析显示700对单拷贝同源基因中，80对Ka/Ks介于0.1-0.5，165对<0.1，455对Ks=0。与Sporidiobolus salmonicolor CBS 6832相比，NGR基因组更大（20.9 Mb vs
- 5 Mb），GC含量更低（47.59% vs
- 3%），预测基因更多（5963 vs 5147）。
研究结论
本研究提供了S. pararoseus NGR的高质量参考基因组，为研究其类胡萝卜素、脂质、碳水化合物代谢及胁迫响应奠定了基因组基础；系统发育分析支持Rhodotorula由Sporobolomyces经Rhodosporidiolobus进化而来；比较基因组鉴定出孢子萌发和糖代谢相关物种特异基因，可能参与掷孢子发射，为后续遗传操作和代谢工程改造提供了重要靶点。