Terpenoids and their gene regulatory networks in Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' as detected by transcriptome and metabolome analyses
- 作者
- Hua Liu, Wendan Chen, Yuhong Chai, Wenchao Liu, Haixia Chen, Lei Sun, Xiaowei Tang, Chang Luo, Dongliang Chen, Xi Cheng, Fengjun Wang, Xiaohuan Yuan, Conglin Huang
- 单位
- Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Engineering Research Center of Functional Floriculture, Beijing, China; Department of Food Science and Engineering, College of Biological Sciences and Biotechnology, Beijing Key Laboratory of Forest Food Processing and Safety, Beijing Forestry University, Beijing, China; Beijing Liu Wenchao Institute of Summer Chrysanthemums Breeding Science and Technology, Beijing, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2022）
- DOI
- 10.3389/fpls.2022.1014114
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析'太行明珠'（Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu'）叶片及不同发育阶段花序中萜类芳香化合物的组成，及其生物合成相关基因与调控网络。
研究策略
采用HS-SPME-GC/MS代谢组学与RNA-Seq转录组学联合分析，通过差异代谢物筛选、差异表达基因鉴定、WGCNA共表达网络以及转录组-代谢组关联分析，解析萜类合成途径和候选基因。
核心内容
本研究以‘太行明珠’太行菊（Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu'）为对象，首次对该属植物开展萜类代谢物与基因调控网络的联合解析。通过HS-SPME-GC/MS代谢组学和RNA-Seq转录组学分析叶片及不同发育阶段花序（着色期、花期、盛花期），共获得82,685个unigenes，其中43,901个获得功能注释；检测到1,350种代谢物，其中萜类最多达302种。叶片中检出芳香化合物1,235种（萜类292种），萜类相对含量高达46.13%，显著高于各花序阶段（37.66%–38.78%）。水蒸馏提取叶片精油获得270种芳香化合物，最丰富的是芳樟醇。差异代谢物分析显示叶片与着色期花序间差异最显著，共985个（上调660个、下调325个）。通过差异表达基因鉴定、WGCNA共表达网络及转录组-代谢组关联分析，筛选出52个萜类合成候选基因，涵盖MVA和MEP途径关键酶如HMGR、DXS、CMK、FDS等。结果表明叶片是提取精油的优良材料，鉴定的候选基因为该属植物芳香性状分子育种提供了重要遗传资源。
创新点
首次对Opisthopappus Shih属植物开展萜类代谢物与基因调控网络的联合分析；鉴定出52个萜类合成相关候选基因；发现叶片是富含精油的优质材料且主要芳香成分为芳樟醇。
研究对象（39）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspAACT2 | — | 催化 | 乙酰辅酶A酰基转移酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspCMK2 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXS2 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXS3 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspFDS1 | — | 催化 | 法尼基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspFDS2 | — | 催化 | 法尼基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspGDS1 | — | 催化 | 香叶基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspGDS3 | — | 催化 | 香叶基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHMGR1 | — | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHMGR2 | — | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHMGS2 | — | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspMCT2 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspMVD1 | — | 催化 | 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspMVK1 | — | 催化 | 甲羟戊酸激酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspPMK1 | — | 催化 | 磷酸甲羟戊酸激酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS2 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHDS4 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS1 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS7 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspMDS1 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXR2 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXS4 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspGGDS1 | — | 催化 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspGGDS2 | — | 催化 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHMGR3 | — | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXR1 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS3 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspDXS5 | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，MEP途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspMCT5 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHMGS3 | — | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspAACT3 | — | 催化 | 乙酰辅酶A酰基转移酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHDS1 | — | 催化 | MEP途径酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspPS1 | — | 催化 | 萜类合酶相关 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS8 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS4 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspIDI1 | — | 催化 | 异戊烯基焦磷酸异构酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspTPS5 | — | 催化 | 萜类合酶 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspAACT | — | 催化 | 乙酰辅酶A酰基转移酶，MVA途径 |
| Opisthopappus taihangensis 'Taihang Mingzhu' (太行明珠) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | OspHDR1 | — | 催化 | MEP途径酶 |
关键发现
- 共获得82,685个unigenes，其中43,901个获得注释
- 检测到1,350种代谢物，萜类最多达302种（22.37%）
- 叶片中检测到1,235种芳香化合物（萜类292种），花序各阶段（着色期、花期、盛花期）检测到1,274、1,271、1,267种（萜类均为286种）
- 叶片中萜类相对含量最高（46.13%），其次为花期（38.78%）、着色期（38.19%）、盛花期（37.66%）
- 水蒸馏提取叶片精油获得270种芳香化合物，最丰富的是萜类芳樟醇
- 共鉴定出52个萜类合成相关调控基因
- 差异代谢物分析显示叶片与着色期花序间差异最多（985个，其中上调660个、下调325个）。
研究结论
'太行明珠'的叶片是提取精油的优良资源，其萜类丰富度高于花序；鉴定的52个萜类合成相关基因为该属植物芳香性状的分子育种提供了重要遗传资源。