Integration of metabolomics and transcriptomics unravels the identification of TPS gene family and functional characterization. of a sesquiterpenoid synthesis gene in Curcuma kwangsiensis
- 作者
- Ruhong Ming, Xin Xie, Wei Ling, Yuping Wei, Jianhua Chen, Shaochang Yao, Yong Tan, Liangbo Li, Rongshao Huang, Ding Huang, Jian Xiao
- 单位
- University Engineering Research Center of Characteristic Traditional Chinese Medicine and Ethnomedicine, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning, China; College of Pharmacy, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning, China; Guangxi Engineering Research Center for High- Value Utilization of Guangxi- Produced Authentic medicinal Herbs, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2025）
- DOI
- 10.3389/fpls.2025.1703946
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
广西莪术(Curcuma kwangsiensis)的倍半萜代谢谱尚未被系统表征，其萜烯合酶(TPS)基因家族也未被鉴定，制约了其倍半萜活性成分生物合成途径的解析。
研究策略
整合代谢组学（HS-SPME-GC-MS）和转录组学（RNA-seq）分析不同组织差异代谢物和差异表达基因，通过相关性分析筛选候选基因；利用生物信息学鉴定TPS基因家族；克隆候选基因CkTPS10并在酿酒酵母中异源表达，通过GC-MS验证其催化产物。
核心内容
该研究整合代谢组学与转录组学，系统解析广西莪术不同组织的倍半萜代谢谱并鉴定其TPS基因家族，旨在挖掘关键生物合成基因。通过HS-SPME-GC-MS和RNA-seq分析，发现根茎和块根中分别有177种和175种萜类代谢物上调，其中163种共有；转录组注释到153,831个基因，块根与叶比较获35,716个差异表达基因，根茎与叶比较获19,265个，并筛选出57个萜类合成相关上调基因。生物信息学鉴定出24个TPS家族成员（CkTPS1–CkTPS24），其中CkTPS10在酿酒酵母中异源表达后经GC-MS验证可催化合成α-copaene和farnesol，确认为关键倍半萜合酶。该工作首次系统表征广西莪术倍半萜代谢网络，为阐明其活性成分生物合成途径提供了理论依据，同时CkTPS10可作为酵母代谢工程合成倍半萜的候选基因资源。
创新点
首次系统表征广西莪术不同组织倍半萜代谢组并鉴定TPS基因家族；整合多组学关联分析定位关键候选基因；在酵母中功能表征CkTPS10，证明其催化合成α-copaene和farnesol。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Curcuma kwangsiensis（广西莪术） | 萜类生物合成 | CkTPS1-CkTPS24 | TPS（萜烯合酶） | 催化 | 从转录组中鉴定出24个TPS基因家族成员，分属TPS-a、TPS-b、TPS-c、TPS-e/f、TPS-g五个亚家族 |
| Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母INVSc1） | 倍半萜生物合成 | CkTPS10 | CkTPS10（倍半萜合酶） | 催化 | 在酵母中异源表达，以FPP为底物催化生成α-copaene和farnesol |
关键发现
- 根茎中177种萜类代谢物上调，块根中175种萜类代谢物上调，其中163种共有
- KEGG富集到9个倍半萜和三萜生物合成相关差异代谢物，其中8个为倍半萜
- 转录组共注释153,831个基因，块根与叶比较有35,716个DEGs（上调25,832，下调9,884），根茎与叶比较有19,265个DEGs（上调8,147，下调11,118），共有5,289个上调DEGs
- 57个与萜类合成相关的上调DEGs中，1个编码TPS
- 鉴定出24个TPS家族成员（CkTPS1-CkTPS24）
- CkTPS10在酵母中表达后催化产物为α-copaene和farnesol。
研究结论
整合转录组和代谢组分析是解析广西莪术次生代谢物的有效策略，为阐明其倍半萜生物合成途径提供理论基础；CkTPS10是倍半萜生物合成中的关键酶，可作为酿酒酵母代谢工程的基因资源。