Transcriptional reprogramming strategies and miRNA-mediated regulation networks of Taxus media induced into callus cells from tissues
- 作者
- Ying Chen, Meng Zhang, Xiaofei Jin, Haoran Tao, Yamin Wang, Bo Peng, Chunhua Fu, Longjiang Yu
- 单位
- Institute of Resource Biology and Biotechnology, Department of Biotechnology, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology; Key Laboratory of Molecular Biophysics Ministry of Education, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology; Hubei Engineering Research Center for Edible and Medicinal Resources
- 杂志
- BMC Genomics（2020）
- DOI
- 10.1186/s12864-020-6576-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析Taxus media愈伤组织诱导过程中转录重编程与miRNA介导的调控网络，阐明紫杉醇生物合成的调控机制，为利用细胞培养生产紫杉醇提供候选基因和调控靶点。
研究策略
运用RNA-seq、miRNA-seq和降解组测序多组学技术，比较6个月龄的愈伤组织与亲本组织的转录谱，结合差异表达分析、降解靶标鉴定和共表达网络分析，揭示miRNA-转录因子-酶基因的调控模式。
核心内容
该研究以南方红豆杉（Taxus media）为材料，综合运用RNA-seq、miRNA-seq和降解组测序，比较6月龄愈伤组织与亲本组织的转录谱，系统解析了愈伤诱导过程中的转录重编程及miRNA介导的调控网络。结果显示，愈伤组织中紫杉醇含量达1.34 mg/g DW，为亲本的2.32倍，10-去乙酰巴卡亭III含量为1.02 mg/g DW，为亲本的3.15倍。12个已知紫杉醇合成基因中7个显著上调，其中DBAT表达上调70.9倍，TASY上调13.96倍，而94.1%的光合作用基因显著下调。共鉴定493个miRNA，其中95个差异表达；1829个unigenes被347个miRNA降解。靶向紫杉醇合成基因的10个miRNA均非差异表达，提示miRNA主要通过调控转录因子间接影响次生代谢。共表达分析获得346个与紫杉醇合成高度相关的转录因子和21个密切相关miRNA。研究揭示了愈伤细胞通过增强次生代谢物积累来补偿免疫系统减弱的防御策略，并为紫杉醇生产的基因工程改造提供了候选miRNA和转录因子靶点。
创新点
（1）首次发现新诱导的愈伤组织通过转录重编程增强紫杉醇等次生代谢物积累以补偿减弱的免疫防御系统；（2）揭示miRNA主要通过调控转录因子间接调控次生代谢，而非直接调控紫杉醇合成基因；（3）首次鉴定Taxus特异性miRNA PC-5p-97202_13靶向DBBT和DBTNBT，并提供一批候选miRNA和转录因子。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | TASY | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 紫杉醇合成第一步关键酶，表达上调13.96倍 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 | 催化 | 在愈伤组织中表达上调70.9倍，组织几乎不表达 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | BAPT | 苯丙酰转移酶 | 催化 | 显著上调，首次被发现受miRNA靶向（gma-miR6300和PC-5p-97202_13） |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | T5H | 紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 显著上调 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBBT | 紫杉烷2α-O-苯甲酰转移酶 | 催化 | 显著上调，被PC-5p-97202_13靶向 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | T10H | 5α-紫杉二烯醇-10β-羟化酶 | 催化 | 显著上调，被miR5248和miR397a靶向 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | TAT | 紫杉二烯醇乙酰转移酶 | 催化 | 显著上调 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | T13H | 13α-羟化酶 | 催化 | 与多个miRNA共表达相关 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 苯丙烷代谢 | PAM | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 下调，在愈伤组织中几乎检测不到 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | T2H | 紫杉烷2α-羟化酶 | 催化 | 下调 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBTNBT | 3'-N-去苯甲酰紫杉醇N-苯甲酰转移酶 | 催化 | 被PC-5p-97202_13靶向 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | ERF | ERF转录因子 | 调控 | TcERF15与紫杉醇生物合成基因高度共表达（相关系数>0.9） |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | WRKY | WRKY转录因子 | 调控 | TcWRKY1/8/20/26/47/52与紫杉醇基因高相关 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | SPL | SQUAMOSA启动子结合蛋白样转录因子 | 调控 | 两个SPL样TF被最多11个miRNA降解 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 茉莉酸信号通路/紫杉醇生物合成 | TcMYC2a | bHLH转录因子 | 调控 | 正调控紫杉醇生物合成，与合成基因共表达 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 茉莉酸信号通路/紫杉醇生物合成 | TcJAMYC1/2/4 | bHLH转录因子 | 调控 | 负调控紫杉醇生物合成 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | PC-5p-97202_13 | — | 调控 | Taxus特异性miRNA，首次发现，靶向DBBT和DBTNBT，降解34个靶标 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | miR5248 | — | 调控 | 靶向T10H同源基因 |
| Taxus media 愈伤组织细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | miR397a | — | 调控 | 靶向T10H同源基因 |
关键发现
- 愈伤组织中紫杉醇含量为1.34 mg/gDW，是亲本组织的2.32倍
- 10-去乙酰巴卡亭III含量为1.02 mg/gDW，为亲本的3.15倍。12个已知紫杉醇生物合成基因中有7个显著上调，其中DBAT表达上调70.9倍（组织几乎不表达），TASY上调13.96倍，BAPT、T5H、DBBT、T10H、TAT均显著上调。94.1%的光合作用相关基因表达显著下调。共检测到493个miRNA，其中95个差异表达（35个新miRNA）
- 1829个unigenes被347个miRNA降解，形成2432个降解靶标。两个SPL样转录因子被最多11个miRNA降解。10个靶向紫杉醇合成基因的miRNA均非差异表达，表明miRNA不直接调控紫杉醇合成。共表达分析发现346个转录因子与紫杉醇合成基因高度相关（系数>0.9），21个miRNA与紫杉醇生物合成密切相关（|r|>0.9）。
研究结论
新诱导的Taxus愈伤细胞通过转录重编程适应异养培养，增加紫杉醇和其他次生代谢物积累是一种经济有效的防御策略。miRNA是转录重编程的关键工具，主要通过‘miRNA-转录因子-酶基因’模式间接调控次生代谢。研究为紫杉醇生物合成调控提供了候选miRNA和转录因子。