高级醇 · 代谢工程文献库

← 返回列表

A High-Quality Reference Genome Sequence and Genetic Transformation System of Aralia elata

作者
Wenxuan Liu, Wenhua Guo, Song Chen, Honghao Xu, Yue Zhao, Su Chen, Xiangling You
单位
东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室；东北林业大学盐碱植被生态恢复教育部重点实验室
杂志
Frontiers in Plant Science（2022）
DOI
10.3389/fpls.2022.822942
所属领域
代谢工程
关键词
Aralia elataevolutionary analysisgenome assemblyterpenoid biosynthesis pathwaytransgenic system
阅读原文
查看 PDF 原文

解决的核心问题

龙牙楤木（Aralia elata）缺乏高质量参考基因组和遗传转化系统，限制了三萜皂苷生物合成途径关键基因的挖掘与功能验证。

研究策略

利用PacBio HiFi测序技术组装高质量基因组，通过比较基因组学分析全基因组复制事件，结合转录组数据鉴定三萜皂苷生物合成关键酶基因，并基于体细胞胚发生体系建立农杆菌介导的遗传转化方法。

研究路线图

100%
研究问题：龙牙楤木缺乏高质量基因组与遗传转化系统
策略：HiFi测序+比较基因组+转录组+遗传转化
关键改造1：组装1.21Gb高质量基因组（contig N50 51.34Mb）
关键改造2：鉴定1次近期WGD事件（约29.6百万年前）及进化位置
关键改造3：挖掘22个三萜皂苷合成候选基因（多根中高表达）
关键改造4：建立农杆菌介导遗传转化体系（感染10分钟最佳）
结果：基因组完整度98.8%，注释37,016个基因，重复序列71.69%
结论：提供高质量基因组与遗传转化系统，为基因功能研究和遗传改良奠定基础
Text is not SVG - cannot display

下载 .drawio 源文件

核心内容

该研究针对龙牙楤木缺乏高质量参考基因组和遗传转化体系的问题，利用PacBio HiFi测序技术组装出1.21 Gb的基因组，contig N50达51.34 Mb，注释到37,016个蛋白编码基因，BUSCO完整度98.8%。比较基因组学分析揭示Araliaceae共享一次约29.6百万年前的全基因组复制事件，系统发育显示龙牙楤木与三七在约24.2百万年前分化。结合转录组数据鉴定出22个三萜皂苷生物合成候选基因，涵盖MVA途径六个酶、角鲨烯合酶、β-香树脂合酶及CYP716A和CYP72A亚家族成员，多数在根中高表达。基于体细胞胚发生体系建立的农杆菌遗传转化方法在感染10分钟时效率最佳，PCR确认获得转基因植株。该研究首次提供了龙牙楤木的高质量基因组资源和可行的转化系统，为三萜皂苷关键酶的基因功能验证及遗传改良奠定了基础。

创新点

首次组装了Aralia属的高质量参考基因组（1.21 Gb，contig N50 51.34 Mb）；揭示了Araliaceae共享的一次近期全基因组复制事件（约29.6百万年前）；鉴定出22个三萜皂苷生物合成候选基因，并发现多数在根中高表达；建立了农杆菌介导的龙牙楤木遗传转化体系。

研究对象（21）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Aralia elata MVA途径 Arel.002085 乙酰辅酶A乙酰转移酶 催化 催化乙酰CoA生成乙酰乙酰CoA
Aralia elata MVA途径 Arel.020097 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 催化 催化乙酰乙酰CoA生成3-羟基-3-甲基戊二酰CoA
Aralia elata MVA途径 Arel.004178 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶 催化 催化HMG-CoA生成甲羟戊酸
Aralia elata MVA途径 Arel.022041 甲羟戊酸激酶 催化 催化甲羟戊酸生成甲羟戊酸-5-磷酸
Aralia elata MVA途径 Arel.027136 磷酸甲羟戊酸激酶 催化 催化甲羟戊酸-5-磷酸生成甲羟戊酸-5-焦磷酸
Aralia elata MVA途径 Arel.003662 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶 催化 催化甲羟戊酸-5-焦磷酸生成异戊烯基焦磷酸
Aralia elata 萜类前体合成 Arel.030181 异戊烯基焦磷酸异构酶 催化 催化IPP异构化为二甲基烯丙基焦磷酸
Aralia elata 萜类前体合成 Arel.001014 牻牛儿基焦磷酸合酶 催化 催化IPP和DMAPP生成牻牛儿基焦磷酸
Aralia elata 萜类前体合成 Arel.030122 法尼基焦磷酸合酶 催化 催化GPP生成法尼基焦磷酸
Aralia elata 三萜骨架合成 Arel.022914 角鲨烯合酶 催化 催化两分子FPP生成角鲨烯
Aralia elata 三萜骨架合成 Arel.013186 角鲨烯环氧酶 催化 催化角鲨烯生成2,3-氧化角鲨烯
Aralia elata 三萜皂苷骨架合成 Arel.032339 β-香树脂合酶 催化 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成β-香树脂醇
Aralia elata 三萜皂苷骨架合成 Arel.032335 β-香树脂合酶 催化 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成β-香树脂醇
Aralia elata 三萜皂苷骨架合成 Arel.020446 β-香树脂合酶 催化 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成β-香树脂醇
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP716A244 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化β-香树脂醇氧化生成齐墩果酸
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP716A12 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化β-香树脂醇氧化生成齐墩果酸（在其他物种中已报道）
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP716A179 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化β-香树脂醇氧化生成齐墩果酸
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP716A94 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化β-香树脂醇氧化生成齐墩果酸
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP72A68 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化齐墩果酸羟基化生成常春藤皂苷元
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP72A68v2 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化齐墩果酸羟基化生成常春藤皂苷元
Aralia elata 三萜皂苷后修饰 CYP72A397 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化齐墩果酸羟基化生成常春藤皂苷元

关键发现

  1. 基因组大小为1.21 Gb，contig N50为51.34 Mb，共1,350条contig，最长100.88 Mb，GC含量36.13%
  2. 注释到37,016个蛋白编码基因
  3. BUSCO评估基因组完整度98.8%，蛋白注释完整度97.7%。重复序列占71.69%，其中LTR占49.15%。进化分析显示龙牙楤木与三七在约24.2百万年前分化，与伞形科在约80.1百万年前分化
  4. 基因家族扩张1,925个、收缩1,832个
  5. 4DTv分布显示两个峰（0.12和0.50），Ks分布峰值约0.38，最近WGD事件约发生在29.6百万年前。鉴定出22个三萜皂苷合成候选基因，包括MVA途径6个酶、IPP/GPP/FPP合成相关酶、角鲨烯合酶、角鲨烯环氧酶、β-香树脂合酶及CYP716A和CYP72A亚家族成员，多数基因在根中高表达。遗传转化系统中，农杆菌感染10分钟时转化效果最佳，PCR检测到目标片段，获得转基因植株。

研究结论

本研究提供了龙牙楤木的高质量参考基因组和遗传转化系统，阐明了其系统发育位置和全基因组复制历史，鉴定了三萜皂苷生物合成的关键基因，为后续基因功能研究和遗传改良奠定了基础。