Integrated metabolome and transcriptome analysis of Magnolia champaca identifies biosynthetic pathways for floral volatile organic compounds
- 作者
- Savitha Dhandapani, Jingjing Jin, Vishweshwaran Sridhar, Rajani Sarojam, Nam-Hai Chua, In-Cheol Jang
- 单位
- Temasek Life Sciences Laboratory, 1 Research Link, National University of Singapore, Singapore 117604, Singapore; Department of Biological Sciences, National University of Singapore, Singapore 117543, Singapore; Laboratory of Plant Molecular Biology, The Rockefeller University, 1230 York Avenue, New York, NY 10065, USA
- 杂志
- BMC Genomics（2017）
- DOI
- 10.1186/s12864-017-3846-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
黄兰（Magnolia champaca）花香挥发性有机化合物（VOCs）的生物合成途径和关键基因未知，且缺乏基因组资源，限制了对其花香形成机制的理解和代谢工程改良。
研究策略
以完全开放黄兰花为材料，采用顶空法结合GC-MS分析VOCs组成；通过Illumina RNA-seq进行转录组测序和从头组装；基于代谢物谱引导转录组分析，结合qRT-PCR、亚细胞定位、大肠杆菌突变体互补、体外酶活、烟草瞬时表达和稳定转基因等方法验证关键基因功能。
核心内容
该研究以完全开放的黄兰花为材料，结合顶空固相微萃取与GC-MS分析其花香挥发性有机物组成，并利用Illumina RNA-seq进行转录组测序和从头组装。共鉴定出43种VOCs，其中萜类占46.9%、挥发性酯类占38.9%、苯丙素/苯甲酸类占5.2%；主要成分包括(R)-芳樟醇及其氧化物（合计17.5%）、β-石竹烯（8.6%）和甲基2-甲基丁酸酯（23.2%）。转录组组装获得47,688个非冗余unigene，N50为1814 bp，约70%的花香相关基因在花中表达量较叶中高至少2倍。通过代谢物谱引导的转录组分析，克隆了MEP途径的4个DXS基因和1个HDR基因，其中McDXS1、McDXS2和McHDR能分别互补大肠杆菌相应突变体。进一步表征了单萜合酶McTPS1，其仅以GPP为底物体外催化生成(R)-芳樟醇；在本氏烟瞬时表达和烟草稳定转基因植株中均检测到(R)-芳樟醇释放，且含量与McTPS1表达水平正相关。该研究首次提供黄兰转录组公共资源，系统揭示了花香VOCs生物合成途径及关键酶功能，为黄兰花香代谢工程改良提供了重要靶标。
创新点
['首次报道黄兰花的转录组，提供了47,688个非冗余unigene的公共资源', '结合代谢物和转录组数据系统解析了花香VOC生物合成途径', '鉴定并功能验证了MEP途径关键酶DXS亚型和HDR', '克隆并表征了(R)-芳樟醇合酶McTPS1，该酶负责主要花香成分(R)-芳樟醇及其氧化物的合成']
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Magnolia champaca | MEP途径（萜类前体合成） | McDXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个酶，clade II成员，能互补dxs缺陷型大肠杆菌 |
| Magnolia champaca | MEP途径（萜类前体合成） | McDXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个酶，clade II成员，能互补dxs缺陷型大肠杆菌 |
| Magnolia champaca | MEP途径（萜类前体合成） | McDXS3 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | clade III成员，不能互补dxs缺陷型大肠杆菌，可能参与其他反应 |
| Magnolia champaca | MEP途径（萜类前体合成） | McDXS4 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | clade I成员，不能互补dxs缺陷型大肠杆菌，可能催化不同反应 |
| Magnolia champaca | MEP途径（萜类前体合成） | McHDR | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基4-二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径最后一个酶，单拷贝，能互补hdr缺陷型大肠杆菌 |
| Nicotiana tabacum | 单萜生物合成 | McTPS1 | (R)-芳樟醇合酶 | 催化 | TPS-b亚家族，体外以GPP为底物产生(R)-芳樟醇，转基因烟草中过表达释放(R)-芳樟醇 |
| Magnolia champaca | 单萜前体合成 | GPS.SSU | 香叶基二磷酸合酶小亚基 | 催化 | 非催化亚基，但与催化大亚基形成异源二聚体，高表达于花中 |
| Magnolia champaca | 支链氨基酸分解代谢（挥发性酯合成） | BCAT | 支链氨基酸氨基转移酶 | 催化 | 参与2-甲基丁酸酯衍生物的生物合成，花中表达高于叶 |
| Magnolia champaca | 挥发性酯合成 | AAT | 醇酰基转移酶 | 催化 | 催化挥发性酯合成的最后一步，花中表达高于叶 |
| Magnolia champaca | 苯丙素/苯甲酸类生物合成 | SAMT | S-腺苷-L-甲硫氨酸依赖性甲基转移酶 | 催化 | 高度表达，可能参与多种挥发性甲基酯的形成 |
| Magnolia champaca | 脂肪酸衍生甲酯合成（脂氧合酶途径） | 13S-LOX | 13S-脂氧合酶 | 催化 | 可能负责脂肪酸衍生甲酯的合成，高表达于花中 |
关键发现
- 从完全开放黄兰花中共鉴定43种VOCs，其中萜类占46.9%（单萜及衍生物25.8%，倍半萜21.1%），挥发性酯类占38.9%，苯丙素/苯甲酸类占5.2%。β-芳樟醇及其氧化物（trans-呋喃型、cis-呋喃型、trans-吡喃型）是主要成分，合计占17.5%
- β-石竹烯占8.6%，β-罗勒烯（cis+trans）占6.8%，甲基2-甲基丁酸酯占23.2%，乙基2-甲基丁酸酯占9.38%。转录组测序获得约1.696亿reads，组装得到47,688个unigenes，N50为1814 bp，其中27,043个（56.7%）被注释。表达分析显示约70%的花香相关基因在花中的表达量比叶中高至少2倍。克隆的4个DXS基因中，McDXS1和McDXS2能互补dxs缺陷型大肠杆菌，而McDXS3和McDXS4不能
- McHDR能互补hdr缺陷型大肠杆菌。体外酶活显示McTPS1仅以GPP为底物产生(R)-芳樟醇，不利用FPP
- 在N. benthamiana瞬时表达和N. tabacum转基因植株中均检测到(R)-芳樟醇释放，且含量与McTPS1表达水平正相关。
研究结论
该研究首次报道黄兰转录组，揭示了花香VOCs生物合成的主要途径和关键基因，为黄兰功能基因组学提供了公共信息，有助于理解黄兰花香的生态功能，并为可持续生产黄兰花香提供了代谢工程靶标。