De novo leaf and root transcriptome analysis to explore biosynthetic pathway of Celangulin V in Celastrus angulatus maxim
- 作者
- Weiguo Li, Ranran Xu, Xiaoguang Yan, Dongmei Liang, Lei Zhang, Xiaoyu Qin, Qinggele Caiyin, Guangrong Zhao, Wenhai Xiao, Zhaonong Hu, Jianjun Qiao
- 单位
- Department of Pharmaceutical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Key Laboratory of Systems Bioengineering (Ministry of Education), Tianjin University; SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin); College of Plant Protection, Institute of Pesticide Science, Northwest A&F University; Key Laboratory of Botanical Pesticide R&D in Shaanxi Province
- 杂志
- BMC Genomics（2019）
- DOI
- 10.1186/s12864-018-5397-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
苦皮藤素V（Celangulin V）是苦皮藤中的高效杀虫倍半萜化合物，但产量低、供应不连续限制了其应用，而其生物合成途径尚不清楚，缺乏基因组/转录组资源，难以通过合成生物学实现可持续生产。
研究策略
利用BGISEQ-500平台对苦皮藤叶和根进行转录组测序，从头组装获得unigenes，通过KOG/GO/KEGG注释和差异表达分析，筛选与苦皮藤素V生物合成相关的候选基因，并进行系统发育分析。
核心内容
该研究对苦皮藤的叶和根进行了首次转录组测序，旨在解析杀虫活性倍半萜化合物苦皮藤素V的生物合成途径。通过BGISEQ-500平台获得104,950个unigenes，平均长度1200 bp，其中48,810个被注释到135个KEGG通路，145个unigenes参与倍半萜和三萜生物合成。结合差异表达分析和系统发育分析，共鉴定出16个可能与苦皮藤素V合成相关的候选基因，包括4个倍半萜合酶、8个CYP450氧化酶和4个BAHD酰基转移酶，并据此提出了从β-二氢沉香呋喃骨架经羟基化和酰基化修饰生成苦皮藤素V的推测途径。qRT-PCR验证了15个关键基因的表达趋势与转录组数据一致。此外，根皮提取物在200 mg/kg浓度下对粘虫幼虫7天后的生长抑制率达91.6%。该转录组资源为苦皮藤素V生物合成途径的深入解析和合成生物学驱动的可持续生产提供了重要的基因挖掘基础。
创新点
首次对苦皮藤进行转录组分析；鉴定出16个可能与苦皮藤素V生物合成相关的unigenes，包括4个倍半萜合酶、8个CYP450s和4个BAHD酰基转移酶；提出了苦皮藤素V的生物合成途径。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 萜类前体生物合成（MVA途径） | AACT, HMGS, HMGR, MVK, PMVK, MVD | 乙酰辅酶A乙酰转移酶, 羟甲基戊二酰辅酶A合酶, 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶, 甲羟戊酸激酶, 磷酸甲羟戊酸激酶, 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | 22个上调unigenes参与MVA途径 |
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 萜类前体生物合成（MEP途径） | DXPS, DXPR, ispG, ispH, IDI, isoprene synthase | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶, 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶, 4-羟基-3-甲基丁-2-(E)-烯基二磷酸合酶, 4-羟基-3-甲基丁-2-烯-1-基二磷酸还原酶, 异戊烯基二磷酸δ-异构酶, 异戊二烯合酶 | 催化 | 38个上调unigenes参与MEP途径 |
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 倍半萜骨架合成 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP生成FPP |
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 倍半萜环化 | germacrene D synthase, germacradienol synthase, valencene/7-epi-alpha-selinene synthase | 大牻牛儿烯D合酶, 大牻牛儿二烯醇合酶, 瓦伦烯/7-表-α-瑟林烯合酶 | 催化 | 4个unigenes编码倍半萜合酶，可能将FPP环化为β-二氢沉香呋喃骨架 |
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 倍半萜骨架修饰（羟基化） | CYP71D9, CYP71D10, CYP71D11 | 细胞色素P450单加氧酶（CYP71D亚家族） | 催化 | 8个unigenes编码CYP450s，可能催化β-二氢沉香呋喃的羟基化 |
| 苦皮藤（Celastrus angulatus） | 倍半萜骨架修饰（酰基化） | BAHD acyltransferase | BAHD酰基转移酶 | 催化 | 4个unigenes编码BAHD酰基转移酶，可能催化羟基的酰基化 |
关键发现
- 共获得104,950个unigenes，平均长度1200 bp
- 51,817个unigenes归入25个KOG分类
- 39,866个归入55个GO功能组
- 48,810个归入135个KEGG通路
- 145个unigenes参与倍半萜和三萜生物合成
- 鉴定出16个与苦皮藤素V生物合成相关的unigenes（4个倍半萜合酶、8个CYP450s、4个BAHD酰基转移酶）。差异表达基因共19,440个，其中9,024个上调、10,416个下调。根皮提取物在200 mg/kg浓度下对粘虫幼虫7天后生长抑制率达91.6%。qRT-PCR验证了15个关键基因的表达趋势与转录组数据一致。
研究结论
本研究首次报道了苦皮藤的转录组，鉴定出16个可能参与苦皮藤素V生物合成的候选基因（4个倍半萜合酶、8个CYP450s、4个BAHD酰基转移酶），并提出了从β-二氢沉香呋喃骨架经羟基化和酰基化修饰生成苦皮藤素V的推测途径。该转录组数据为苦皮藤素的生物合成研究和基因挖掘提供了重要资源。