The genomic and enzymatic basis for iridoid biosynthesis in cat thyme (Teucrium marum)
- 作者
- Samuel J. Smit, Sefa Ayten, Barbara A. Radzikowska, John P. Hamilton, Swen Langer, William P. Unsworth, Tony R. Larson, C. Robin Buell, Benjamin R. Lichman
- 单位
- Centre for Novel Agricultural Products, Department of Biology, University of York; Institute of Plant Breeding, Genetics, & Genomics, University of Georgia; Department of Chemistry, University of York; Center for Applied Genetic Technologies, University of Georgia; Department of Crop & Soil Sciences, University of Georgia; Bioscience Technology Facility, Department of Biology, University of York
- 杂志
- The Plant Journal（2024）
- DOI
- 10.1111/tpj.16698
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析猫百里香（Teucrium marum）中环烯醚萜类化合物dolichodial和teucrein的生物合成途径及其进化起源，尤其是dolichodial这一强效驱虫剂的生物合成基因未知的问题。
研究策略
对T. marum进行染色体级基因组组装和注释；利用系统基因组学、共表达分析和酶活性实验鉴定环烯醚萜生物合成基因；通过N. benthamiana瞬时表达和体外酶活验证解析dolichodial途径中的氧化和乙酰化步骤。
核心内容
该研究对猫百里香（Teucrium marum）进行了染色体级基因组组装，获610.3 Mb基因组、15条假染色体及94.7%的BUSCO完整度，借此鉴定了环烯醚萜生物合成途径中的关键酶基因。系统基因组学与共表达分析揭示其环烯醚萜合酶（TmISY，Teum.06G020140）来自ISP分支，不同于Nepeta属的P5βR分支，构成该酶的第三次独立起源，且其表达与teucrein积累高度相关（rs=0.9）。体外酶活实验证实该酶能高效消耗8-氧代香叶醛并生成产物。在烟草瞬时表达体系中，TmIO与BAHD乙酰转移酶共表达可将nepetalactol转化为多种氧化环烯醚萜，其中一峰与dolichodial标准品一致，同时7-脱氧马钱苷酸副产物显著减少，说明乙酰转移酶通过神秘中间体teucrein将代谢流引向dolichodial类化合物。研究首次揭示了乙酰转移酶在环烯醚萜结构多样化中的关键协同作用，为强效驱虫剂dolichodial的异源生产提供了酶学基础与基因资源。
创新点
首次获得T. marum染色体级基因组（610.3 Mb，15条假染色体）；发现T. marum的环烯醚萜合酶（ISY）来源于不典型的ISP分支，与Nepeta的P5βR分支独立平行进化；首次发现乙酰转移酶（BAHD家族）与环烯醚萜氧化酶（IO）协同作用，通过神秘乙酰化中间体（teucrein）生成dolichodial等多样化环烯醚萜。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Teucrium marum | 环烯醚萜生物合成 | Teum.06G020140 | iridoid synthase (TmISY) | 催化 | 催化8-氧代香叶醛还原环化生成nepetalactol，来自ISP分支，表达式与teucrein积累相关 |
| Teucrium marum | 环烯醚萜生物合成 | Teum.05G025680 | PRISE家庭成员 | 催化 | 另一个ISY候选，具有体外活性但表达模式与teucrein积累负相关 |
| Escherichia coli | 环烯醚萜生物合成 | Teum.01G014300 | geraniol 8-hydroxylase (G8H) | 催化 | 细胞色素P450氧化酶，催化香叶醇8位羟基化 |
| Teucrium marum | 环烯醚萜生物合成 | Teum.14G002320 | iridoid oxidase (TmIO) | 催化 | 细胞色素P450氧化酶，催化nepetalactol氧化；与BAHD共表达生成dolichodial异构体 |
| Teucrium marum | 环烯醚萜生物合成 | Teum.13G015640/Teum.13G015650 | geraniol synthase (GES) | 催化 | 基因模型被错误分裂，经拼接后验证催化香叶基焦磷酸生成香叶醇 |
| Nicotiana benthamiana | 环烯醚萜生物合成 | TmBAHD1 | BAHD乙酰转移酶 | 催化 | 与IO共表达促进dolichodial异构体形成，减少7-脱氧马钱苷酸葡萄糖酯 |
| Nicotiana benthamiana | 环烯醚萜生物合成 | TmBAHD3 | BAHD乙酰转移酶 | 催化 | 与IO共表达促进dolichodial异构体形成 |
| Teucrium marum | 环烯醚萜生物合成 | Tm8HGO | 8-hydroxygeraniol oxidoreductase | 催化 | 氧化8-羟基香叶醇，依赖NAD+辅因子 |
关键发现
- T. marum基因组总大小610.3 Mb，N50 scaffold为32.9 Mb，BUSCO完整度为94.7%
- 鉴定并验证了GES、8HGO、ISY和IO的功能
- T. marum的ISY（Teum.06G020140）来自ISP分支，其表达与teucrein积累高度相关（rs=0.9）
- 体外酶活显示Teum.06G020140在30 min内消耗更多底物8-氧代香叶醛并生成更多产物
- IO与BAHD1或BAHD3在N. benthamiana中共表达时，可将nepetalactol转化为多种149.096 m/z的氧化环烯醚萜，其中一个峰与dolichodial标准品的保留时间和MS2谱一致
- 同时7-脱氧马钱苷酸葡萄糖酯副产物峰面积显著降低，说明乙酰转移酶将代谢流引向dolichodial类化合物。
研究结论
本研究揭示了T. marum中环烯醚萜生物合成的基因组和酶学基础，证明了ISY的第三次独立起源（ISP分支），并发现乙酰转移酶在环烯醚萜结构多样化中的关键作用，为未来异源生产dolichodial等强效驱虫剂奠定了基础。