Global transcriptome analysis of Huperzia serrata and identification of critical genes involved in the biosynthesis of huperzine A
- 作者
- Mengquan Yang, Wenjing You, Shiwen Wu, Zhen Fan, Baofu Xu, Mulan Zhu, Xuan Li, Youli Xiao
- 单位
- CAS Key Laboratory of Synthetic Biology, CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; CAS-JIC Centre of Excellence in Plant and Microbial Sciences, Shanghai 200032, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
- 杂志
- BMC Genomics（2017）
- DOI
- 10.1186/s12864-017-3615-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
蛇足石杉（Huperzia serrata）的转录组资源有限，石杉碱甲（HupA）生物合成途径尚不清楚，关键基因缺乏系统鉴定。
研究策略
对根、茎、叶、孢子囊四种组织进行Illumina HiSeq4000深度转录组测序，从头组装获得转录组，结合功能注释、系统发育分析和组织特异性表达分析，筛选参与石杉碱甲生物合成的候选酶基因。
核心内容
该研究对蛇足石杉的根、茎、叶、孢子囊四种组织进行了Illumina HiSeq4000深度转录组测序，并从头组装获得全局转录组图谱。共生成40.1 Gb clean data，组装出181,141个unigenes，总长度约219.5 Mb，平均长度1,211 bp，N50为2,488 bp；其中105,516个unigenes（58.25%）获得功能注释，72,230个映射到136条KEGG通路。在基因鉴定方面，研究系统分析了石杉碱甲生物合成相关的LDC、CAO、PKS三类前体合成酶，以及457个CYP450基因（含199个全长），尤其预测了11个BBE类和12个SLS类CYP450可能参与石杉碱甲的骨架修饰。表达分析显示71.9%的unigenes在四种组织中均有表达。该工作首次提供了蛇足石杉全组织的深度转录组资源，鉴定出前体合成与骨架修饰的关键候选基因，为后续石杉碱甲的异源生物合成与代谢工程改造奠定了重要基础。
创新点
首次对蛇足石杉全部四种组织进行全局转录组分析；获得更完整的转录组数据（181,141个unigenes），数据量比之前454-EST高三个数量级；系统分析了457个CYP450基因，并预测BBE和SLS两类CYP450参与石杉碱甲骨架修饰。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成前体途径 | LDC | 赖氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化赖氨酸脱羧生成尸胺；对应unigene96617和unigene94988 |
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成前体途径 | CAO | 铜胺氧化酶 | 催化 | 催化尸胺氧化脱氨生成5-氨基戊醛；对应CL4248.1、CL4248.2、CL4248.3 |
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成前体途径 | PKS | III型聚酮合酶 | 催化 | 参与哌啶与3-氧代戊二酸缩合等步骤；对应unigene393、unigene394、CL2724.2 |
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成骨架修饰 | BBE-like CYP450 | 小檗碱桥酶 | 催化 | 11个同源基因，可能参与环化反应形成亚甲二氧桥 |
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成骨架修饰 | SLS-like CYP450 | 马钱苷合酶 | 催化 | 12个同源基因，可能参与氧化裂解反应 |
| Huperzia serrata | 石杉碱甲生物合成调控 | MYB | MYB转录因子 | 调控 | 共注释到404个MYB成员，可能参与次级代谢调控 |
关键发现
- 共生成40.1 Gb clean data，组装获得181,141个unigenes，总长度219,520,611 bp，平均长度1,211 bp，N50为2,488 bp，GC含量42.51%。105,516个unigenes（58.25%）获得功能注释，注释到54个GO功能类别和3,391个转录因子
- 72,230个unigenes映射到136条KEGG通路。鉴定出LDC、CAO、PKS三类前体合成酶，以及457个CYP450基因（其中199个全长）
- 其中BBE类同源基因有11个，SLS类有12个，共23个成员。表达分析表明130,297个unigenes（71.9%）在四种组织中表达，其中56,958个基因在所有组织共同表达。
研究结论
本研究首次对蛇足石杉四个组织进行深度转录组测序，提供了全面转录组资源，预测了参与石杉碱甲生物合成前体和骨架修饰的关键基因（LDC、CAO、PKS及BBE-、SLS型CYP450），为后续石杉碱甲的生物工程和合成生物学研究奠定了基础。