Identification of full-length genes involved in the biosynthesis of β-caryophyllene and Lupeol from the leaf transcriptome of Ayapana triplinervis
- 作者
- Tanuja, Madasamy Parani
- 单位
- Department of Genetic Engineering, College of Engineering and Technology, Faculty of Engineering and Technology, SRM Institute of Science and Technology, SRM Nagar, Kattankulathur 603203, Kanchipuram, Chennai, TN, India
- 杂志
- Genome（2024）
- DOI
- 10.1139/gen-2024-0005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Ayapana triplinervis 缺乏基因组数据，难以鉴定其叶片中合成抗癌化合物β-石竹烯和羽扇豆醇所涉及的全长基因。
研究策略
对 A. triplinervis 叶片进行 RNA-seq 测序，经 de novo 组装获得转录组，通过 BLASTx 和 KEGG 通路注释鉴定β-石竹烯和羽扇豆醇生物合成相关基因，并用 RT-qPCR 验证部分基因表达。
核心内容
本研究对缺乏基因组信息的药用植物Ayapana triplinervis叶片进行了RNA-seq测序，通过de novo组装获得转录组，结合BLASTx和KEGG注释，首次系统鉴定了β-石竹烯和羽扇豆醇生物合成相关的全长基因。测序获得14.7 Gb数据，组装出137,554个转录本（N50为1,437 bp），其中52.7%获得注释，10,640个转录本映射至156条生化通路。共鉴定出30个全长基因，覆盖MVA、MEP及萜类下游合成途径的全部20个酶，CDS长度819–2,277 bp。RT-qPCR验证显示关键基因差异表达显著：FPPS1表达量为FPPS2的23倍，SQS1为SQS2的37倍，SE2为SE1的19倍。序列相似性分析表明这些基因与已知物种同源基因高度保守，如AtAACT2与HaAACT2相似性达97%，AtLS与TkLS相似性达94%。该工作填补了A. triplinervis基因组资源空白，为通过代谢工程改造β-石竹烯和羽扇豆醇产量提供了完整的基因元件储备。
创新点
首次从 A. triplinervis 叶片转录组中鉴定出 25 个β-石竹烯生物合成相关全长基因和 5 个羽扇豆醇生物合成相关全长基因，覆盖全部 20 个酶。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | AtAACT1, AtAACT2 | 乙酰-CoA乙酰转移酶 | 催化 | MVA途径第一步，两个同源基因 |
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGS） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR） | 催化 | 两个全长基因 |
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | 甲羟戊酸激酶（MVK） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | 5-磷酸甲羟戊酸激酶（PMK） | 催化 | 两个全长基因，蛋白相似性81% |
| Ayapana triplinervis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶（MDD） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | AtDXS1, AtDXS2, AtDXS3 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | 三个基因，各具独特编码序列 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | — | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR） | 催化 | 两个全长基因 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | — | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶（MCT） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | — | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶（CMK） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | — | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶（MCS） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | — | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸合酶（HDS） | 催化 | 单基因编码 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | AtHDR1, AtHDR2 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶（HDR） | 催化 | 两个全长基因 |
| Ayapana triplinervis | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | AtIPPI1, AtIPPI2 | 异戊烯基二磷酸异构酶（IPPI） | 催化 | 两个全长基因 |
| Ayapana triplinervis | 法尼基焦磷酸（FPP）合成 | — | 牻牛儿基二磷酸合酶（GPPS） | 催化 | CDS 1,212 bp，编码404个氨基酸 |
| Ayapana triplinervis | 法尼基焦磷酸（FPP）合成 | AtFPPS1, AtFPPS2 | 法尼基焦磷酸合酶（FPPS） | 催化 | 两个基因CDS均为1,026 bp，核苷酸相似性89%，氨基酸相似性95% |
| Ayapana triplinervis | 倍半萜β-石竹烯合成 | AtCS1 | β-石竹烯合酶（CS） | 催化 | 与Artemisia annua的AaCS相似性79% |
| Ayapana triplinervis | 三萜羽扇豆醇合成 | AtSQS1, AtSQS2 | 鲨烯合酶（SQS） | 催化 | AtSQS1与AlSQS1相似性95%，AtSQS2与AlSQS2相似性89% |
| Ayapana triplinervis | 三萜羽扇豆醇合成 | AtSE1, AtSE2 | 鲨烯环氧酶（SE） | 催化 | 两个基因相似性79% |
| Ayapana triplinervis | 三萜羽扇豆醇合成 | AtLS | 羽扇豆醇合酶（LS） | 催化 | CDS 2,277 bp，编码579个氨基酸，与TkLS相似性94% |
关键发现
- 获得
- 7 Gb RNA-seq 数据，组装出 137,554 个转录本，N50 为 1,437 bp；72,436 个（52.7%）转录本获得注释；10,640 个转录本映射到 156 条生化通路；其中 218 个与萜类骨架生物合成相关，27 个与倍半萜和三萜通路相关；94 个转录本注释到β-石竹烯和羽扇豆醇通路。鉴定出 30 个全长基因，CDS 长度 819-2,277 bp，编码 273-759 个氨基酸。RT-qPCR 显示 FPPS1 表达量是 FPPS2 的 23 倍，SQS1 是 SQS2 的 37 倍，SE2 是 SE1 的 19 倍，Cq 值范围
- 2-26.6。序列相似性分析表明 AtAACT1 与 HaAACT1 相似性 90%，AtAACT2 与 HaAACT2 相似性 97%；AtCS1 与 AaCS 相似性 79%；AtSQS1 与 AlSQS1 相似性 95%，AtSQS2 与 AlSQS2 相似性 89%；AtSE1 与 AtSE2 相似性 79%；AtLS 与 TkLS 相似性 94%。
研究结论
本研究首次从 A. triplinervis 叶片转录组中鉴定出β-石竹烯和羽扇豆醇生物合成所需的全部全长基因，为通过代谢工程提高这两种化合物产量提供了重要基因资源。