Chromosome-level genome assembly and transcriptome of the green alga Chromochloris zofingiensis illuminates astaxanthin production
- 作者
- Melissa S. Roth, Shawn J. Cokus, Sean D. Gallaher, Andreas Walter, David Lopez, Erika Erickson, Benjamin Endelman, Daniel Westcott, Carolyn A. Larabell, Sabeeha S. Merchant, Matteo Pellegrini, Krishna K. Niyogi
- 单位
- Howard Hughes Medical Institute, Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley; Department of Molecular, Cell and Developmental Biology, University of California, Los Angeles; Department of Chemistry and Biochemistry and Institute for Genomics and Proteomics, University of California, Los Angeles; Department of Anatomy, University of California, San Francisco; National Center for X-ray Tomography, Lawrence Berkeley National Laboratory; Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division, Lawrence Berkeley National Laboratory
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2017）
- DOI
- 10.1073/pnas.1619928114
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏绿色微藻Chromochloris zofingiensis的高质量基因组和转录组信息，限制了对虾青素生物合成机制的理解及其商业化开发。
研究策略
采用短读长（Illumina）和长读长（PacBio）测序结合光学图谱进行染色体级别的基因组组装；构建14种生长条件下的转录组；通过高光转移实验分析基因表达变化；利用正向遗传学筛选虾青素缺陷突变体并测序鉴定关键基因。
核心内容
该研究通过结合Illumina短读长、PacBio长读长测序及光学图谱技术，首次实现了绿色微藻Chromochloris zofingiensis的染色体级别基因组组装，基因组约58 Mbp，分布于19条染色体，含15,274个蛋白编码基因。同时构建了14种生长条件下的转录组，并结合正向遗传学筛选了65个虾青素缺陷突变体，其中16个测序突变体均携带BKT1突变，证实BKT1为虾青素合成所必需的关键β-胡萝卜素酮醇酶。高光转移实验显示BKT1和BKT2在0.5小时内即显著上调，H2O2胁迫下表达量分别达876和367 FPKM，且高光下276个基因在0.5小时差异表达，ELIP8和ELIP10上调超过20倍。此外，自然虾青素抗氧化活性比合成虾青素强20倍以上。该研究还鉴定了可能参与虾青素生物合成缺失步骤的候选基因，包括ABC转运蛋白、细胞色素P450和酰基转移酶，为C. zofingiensis作为虾青素商业化生产平台奠定了分子基础。
创新点
首次获得C. zofingiensis染色体级别基因组组装，并通过光学图谱独立验证；发现两个BKT基因并证明BKT1是虾青素生产所必需；通过高光转录组鉴定出可能参与虾青素生物合成缺失步骤的候选基因（ABC转运蛋白、细胞色素P450、酰基转移酶）。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素生物合成 | BKT1 | beta-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 关键酶，突变导致虾青素缺失；高光和氧化胁迫下表达上调 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素生物合成 | BKT2 | beta-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 第二个BKT同源基因，功能待验证；在H2O2下表达367 FPKM |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | CHYB | 胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化beta-胡萝卜素羟基化生成玉米黄质 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 类胡萝卜素合成的限速酶，高光早期上调 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 参与类胡萝卜素去饱和 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 高光1小时表达显著上调 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | LCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 高光后表达下降，可能分流碳流 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素转运 | Cz04g21110, Cz05g17060, Cz09g27180, Cz08g16130 | ABC转运蛋白 | 转运 | 候选基因，可能介导虾青素前体从叶绿体输出 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素生物合成 | Cz10g28330, Cz11g14160 | 细胞色素P450 | 催化 | 候选基因，可能参与虾青素前体的羟基化 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素酯化 | Cz02g29020 | 酰基转移酶 | 催化 | 候选基因，可能催化虾青素酯化 |
| Chromochloris zofingiensis | 甘油三酯生物合成 | DGAT/DGTT家族 | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 共鉴定11个含LPLAT/MBOAT结构域的基因，与生物燃料生产相关 |
关键发现
- 基因组约58 Mbp，分布在19条染色体上，包含15,274个蛋白编码基因
- 重复序列约6%，蛋白编码序列占约39%
- BUSCO评估显示92%的单拷贝直系同源基因完整
- BKT1和BKT2在H2O2胁迫下表达量分别达876和367 FPKM，高光下0.5小时即显著上调
- 正向遗传学筛选的65个虾青素缺陷突变体中，16个测序突变体均携带BKT1突变，证实BKT1是虾青素合成必需
- 高光转移后0.5小时有276个基因差异表达，其中67%上调，12小时362个基因差异表达，94%上调
- ELIP8和ELIP10在0.5小时上调超过20倍
- 自然虾青素抗氧化活性比合成虾青素强20倍以上。
研究结论
高质量的基因组和转录组揭示了绿色藻类谱系和类胡萝卜素生物合成的新见解；BKT1是虾青素生产的关键酶，同时鉴定了可能补全虾青素通路的候选基因，为C. zofingiensis的商业化开发（如生物燃料和高价值虾青素生产）奠定了分子基础。