Transcriptome profiling provides new insights into the formation of floral scent in Hedychium coronarium
- 作者
- Yuechong Yue, Rangcai Yu, Yanping Fan
- 单位
- The Research Center for Ornamental Plants, College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University; College of Life Sciences, South China Agricultural University
- 杂志
- BMC Genomics（2015）
- DOI
- 10.1186/s12864-015-1653-7
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
姜花（Hedychium coronarium）花香形成的分子机制尚不清楚，且缺乏基因组信息，需要系统性鉴定参与花香萜类和苯环类化合物生物合成的关键基因及转录调控因子。
研究策略
利用Illumina平台对混合组织（花、叶、根茎）进行转录组测序与de novo组装；通过数字基因表达谱（DGE）比较三个花瓣发育阶段（蕾期D1、盛开D4、衰老D6）的基因表达；结合GC-MS花香释放分析和Q-PCR验证，挖掘花香相关候选基因；对HcTPS6进行大肠杆菌异源表达和体外酶活表征。
核心内容
本研究对姜花（Hedychium coronarium）进行了大规模转录组测序与de novo组装，获得65,591条unigenes，其中50.90%获得功能注释。通过数字基因表达谱比较蕾期、盛开期和衰老期三个花瓣发育阶段的基因表达，结合GC-MS花香释放分析，系统鉴定了35个萜类和33个苯环类花香合成候选基因，并发现两个花特异表达的R2R3-MYB转录因子可能参与花香调控。关键基因表达分析显示，MEP途径的HcDXS2A表达与单萜释放同步，MVA途径的HcHMGS从蕾期到盛开期上调7.42倍；1,8-cineole和β-ocimene在衰老过程中分别增加2.5倍和2.2倍，而linalool、α-farnesene和methyl benzoate在盛开期达峰后下降。体外酶活实验证实HcTPS6以FPP为底物主要产生β-farnesene（61.6%），以GPP为底物则产生myrcene等单萜混合物。该研究首次为姜花花香形成的分子机制提供了系统性转录组层面的证据，鉴定的候选基因和调控因子为单子叶植物花香性状的遗传改良奠定了基础。
创新点
首次构建姜花属大规模转录组（65,591条unigenes）；系统鉴定了35个萜类和33个苯环类花香合成候选基因；发现HcDXS2A、HcGPPS、HcTPSs、HcCNL、HcBCMT1等花特异或发育相关表达的关键基因；体外证实HcTPS6为β-法尼烯合酶；发现两个花特异表达的R2R3-MYB转录因子可能参与花香调控。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 萜类生物合成（MEP途径） | HcDXS2A | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径限速酶，表达模式与单萜释放相关，花特异表达 |
| — | 萜类生物合成（MEP/MVA途径交汇） | HcGPPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成GPP，表达趋势与单萜释放一致 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成 | HcTPS6 | β-法尼烯合酶 | 催化 | 体外以FPP生成β-farnesene为主（61.6%），以GPP生成多种单萜，属于TPS-b亚家族 |
| — | 苯环类/苯丙烷类生物合成 | HcCNL | 肉桂酸-CoA连接酶 | 催化 | β-氧化途径中肉桂酸活化酶，表达与methyl benzoate释放正相关 |
| — | 苯环类生物合成 | HcBCMT1 | 苯甲酸羧基甲基转移酶 | 催化 | 催化苯甲酸生成methyl benzoate，表达与花香释放密切相关 |
| — | 苯丙烷类生物合成 | HcPAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 苯丙烷代谢第一个关键酶，花中高表达 |
| — | 莽草酸途径 | HcDAHPS1 | 3-脱氧-7-磷酸庚酮糖酸合酶 | 催化 | 莽草酸途径第一个限速酶，高表达且受发育调控 |
| — | MVA途径 | HcHMGS | 羟甲基戊二酰-CoA合酶 | 催化 | 表达从D1到D4上调7.42倍 |
| — | MVA途径 | HcHMGR | 羟甲基戊二酰-CoA还原酶 | 催化 | 表达从D1到D4上调2.81倍 |
| — | 萜类生物合成 | HcIDI2 | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 胞质定位，D1到D4下降87.08%，D4到D6上升4.66倍 |
| — | 苯环类生物合成（β-氧化） | HcPXA | 过氧化物酶体ATP结合盒转运蛋白 | 转运 | 可能负责将肉桂酸转运入过氧化物酶体 |
| — | 花香调控网络 | HcMYB1 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 花特异表达，发育表达模式与花香释放相关，可能参与调控 |
| — | 花香调控网络 | HcMYB2 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 花特异表达，可能参与花香合成调控 |
关键发现
- 共获得81,594,084条高质量clean reads，组装得到65,591条unigenes，N50为1,284 bp，Q20为97.67%，50.90%的unigenes获得功能注释
- DGE分析共鉴定7,796个差异表达基因（DEGs），其中474个在三个发育阶段均差异表达
- 花香释放与基因表达关联分析表明，1,8-cineole和β-ocimene在衰老过程中分别增加2.5倍和2.2倍，而linalool、α-farnesene和methyl benzoate在D4达峰后下降。MEP途径中HcDXS2A表达与单萜释放同步，MVA途径中HcHMGS从D1到D4上调7.42倍，HcHMGR上调2.81倍，HcIDI2从D1到D4下降87.08%并随后上升4.66倍。体外酶活显示HcTPS6以FPP为底物主要产生β-farnesene（61.6%），另有α-bergamotene（15.7%）、β-bisabolene（4.1%）和α-curcumene（2.2%）
- 以GPP为底物产生myrcene（26.7%）、α-thujene（20.1%）、γ-terpinene（14.8%）、terpinolene（11.2%）、limonene（10.6%）、sabinene（9.1%）、α-terpinene（7.5%）。共鉴定1,741个转录因子（占2.65%），其中474个差异表达
- Q-PCR与RNA-Seq结果呈强正相关（R²=0.9593）。
研究结论
本研究首次提供了姜花的大规模转录组和花瓣发育过程中的数字基因表达谱，揭示了花香萜类和苯环类化合物生物合成的候选基因及潜在调控转录因子，为阐明单子叶植物花香形成的分子机制和花香性状遗传改良奠定了基础。