Andrographis paniculata transcriptome provides molecular insights into tissue-specific accumulation of medicinal diterpenes
- 作者
- Anchal Garg, Lalit Agrawal, Rajesh Chandra Misra, Shubha Sharma, Sumit Ghosh
- 单位
- Biotechnology Division, Council of Scientific and Industrial Research- Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, Lucknow 226015, India; Council of Scientific and Industrial Research- National Botanical Research Institute, Lucknow 226001, India
- 杂志
- BMC Genomics（2015）
- DOI
- 10.1186/s12864-015-1864-y
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
穿心莲中药用二萜类化合物（如穿心莲内酯）生物合成的分子机制尚不清楚，缺乏基因组和转录组信息，导致相关生物合成基因未知。
研究策略
采用Illumina HiSeq2000对叶和根转录组进行高通量测序和de novo组装，通过比较转录组学、差异基因表达分析、qRT-PCR和HPLC等方法，鉴定参与ent-LRD生物合成的候选基因。
核心内容
该研究对药用植物穿心莲的叶和根进行了Illumina HiSeq2000高通量转录组测序与de novo组装，旨在阐明穿心莲内酯等药用二萜类化合物生物合成的分子机制。测序共获得叶和根高质量reads分别为96,143,552和74,854,072条，组装得到84,628条unique transcripts，平均长度688.53 bp，N50为976 bp。通过比较转录组学、差异表达分析、qRT-PCR和HPLC，鉴定出3个II类二萜合酶基因ApCPS1/2/3，分别编码832、817和797个氨基酸，序列一致性为55–63%，且呈现组织特异性表达：ApCPS2在叶中表达量为内参基因的104.34倍，ApCPS3在根中表达量高达1491.41倍，对应叶中穿心莲内酯含量为内参的86.84倍。此外还发现了多个候选CYP450和糖基转移酶基因及大量SSR标记。结果表明这些二萜合酶的不同时空表达模式提示其参与穿心莲不同的二萜代谢分支，为理解药用二萜积累的分子基础及通过育种改良产量提供了关键靶点。
创新点
1) 首次生成穿心莲全面的参考转录组；2) 鉴定出3个II类二萜合酶ApCPS1/2/3，并揭示其组织特异性表达模式；3) 发现一系列与二萜生物合成相关的候选CYP450和糖基转移酶；4) 在次生代谢通路转录本中鉴定出SSR标记。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 二萜生物合成 | ApCPS1 | ent-copalyl diphosphate synthase | 催化 | 茎和幼苗中高表达，参与赤霉素生物合成 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 二萜生物合成 | ApCPS2 | ent-copalyl diphosphate synthase | 催化 | 叶中高表达，参与药用ent-LRD生物合成 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 二萜生物合成 | ApCPS3 | ent-copalyl diphosphate synthase | 催化 | 根中高表达，可能参与根二萜植保素合成 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | MEP通路 | DXS, DXR, MCT, CMK, MDS, HDS, HDR等 | MEP途径酶 | 催化 | 提供C5异戊二烯前体 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 萜类合成 | GGPS | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 催化GGPP合成 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 二萜修饰 | CYP450s | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 可能催化二萜骨架的氧化反应 |
| 穿心莲（Andrographis paniculata） | 二萜糖基化 | GTs | 糖基转移酶 | 催化 | 可能负责二萜的糖基化修饰 |
关键发现
- 叶和根分别获得96,143,552和74,854,072个高质量reads
- 组装得到69,011和64,244条转录本，合并后84,628条unique transcripts，平均长度688.53bp，N50=976bp
- ApCPS1、ApCPS2、ApCPS3分别编码832、817、797个氨基酸，序列一致性55-63%
- ApCPS2在叶中表达量为GS的104.34倍，ApCPS3在根中表达量为GS的1491.41倍
- 叶中穿心莲内酯含量为GS的86.84倍
- 叶和根转录组中分别鉴定到16,485和15,911个SSRs。
研究结论
通过比较叶和根转录组，鉴定了ent-LRD生物合成途径的新基因，包括3个II类二萜合酶，它们表现不同的时空表达模式，提示它们参与穿心莲不同的二萜代谢途径。这些结果有助于理解药用二萜生物合成的分子基础，并为改良其产量提供育种策略。