Genome-wide identification and expression analysis of the WRKY transcription factors related to sesquiterpenes biosynthesis in Atractylodes lancea
- 作者
- Hua Liang, Weiwei Liu, Zhiqiang Zhao, Yaqian Li, Liangping Zha
- 单位
- College of Pharmacy, Anhui University of Chinese Medicine, Hefei, China; Institute of Conservation and Development of Traditional Chinese Medicine Resources, Anhui Academy of Chinese Medicine, Hefei, China; MOE-Anhui Joint Collaborative Innovation Center for Quality Improvement of Anhui Genuine Chinese Medicinal Materials, Anhui University of Chinese Medicine, Hefei, China
- 杂志
- Frontiers in Genetics（2025）
- DOI
- 10.3389/fgene.2025.1551991
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析茅苍术（Atractylodes lancea）中WRKY转录因子对倍半萜生物合成的调控机制，阐明不同地理种群中倍半萜含量差异的分子基础。
研究策略
通过全基因组鉴定茅苍术WRKY基因家族，结合系统发育、基因结构、顺式作用元件、共表达网络、MeJA诱导处理、分子 docking 和亚细胞定位分析，筛选并验证候选WRKY转录因子对倍半萜合酶基因的调控作用。
核心内容
该研究对茅苍术WRKY转录因子基因家族进行了全基因组鉴定，共获得65个AlWRKY基因，分为Group I（17个）、Group II（33个）和Group III（15个）三组，其中Group II进一步划分为5个亚组。通过转录组与挥发性代谢物联合分析，筛选出AIWRKY13/20/21/37/49五个根茎高表达基因，且这些基因在湖北种群中的表达水平显著高于江苏种群，与两产地间倍半萜含量差异高度吻合——湖北种群的hinesol含量（55.69%）远高于江苏（0.42%）。MeJA诱导12小时后，AIWRKY20、AIWRKY37及倍半萜合酶基因AITPS70、AITPS71协同上调，同时cis-β-farnesene和α-curcumene含量显著增加。分子对接显示AIWRKY20和AIWRKY37能高亲和力结合AITPS70/AITPS71启动子，形成多达11至15个氢键，且两个转录因子均定位于细胞核。结果表明AIWRKY20和AIWRKY37很可能作为正向调控因子，通过激活AITPS基因表达促进倍半萜积累，为茅苍术倍半萜代谢工程提供了关键基因资源和调控靶点。
创新点
首次对茅苍术WRKY基因家族进行全基因组系统鉴定；整合转录组、挥发性代谢物分析和分子对接，揭示AIWRKY20与AIWRKY37通过调控AITPS70/AITPS71促进cis-β-farnesene和α-curcumene合成的潜在机制。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AIWRKY20 | AlWRKY20 | 调控 | WRKY转录因子，核定位，与AITPS70/AITPS71启动子结合，MeJA诱导后上调表达 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AIWRKY37 | AlWRKY37 | 调控 | WRKY转录因子，核定位，与AITPS70启动子结合，MeJA诱导后上调表达 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AIWRKY21 | AlWRKY21 | 调控 | 根茎高表达候选基因，与AITPS2/32/70/71共表达 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AIWRKY49 | AlWRKY49 | 调控 | 根茎高表达候选基因，与AITPS2/32/70/71共表达 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AIWRKY13 | AlWRKY13 | 调控 | 根茎高表达候选基因，与AITPS1正相关 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AITPS70 | AITPS70 | 催化 | 倍半萜合酶，受AIWRKY20/37调控，参与cis-β-farnesene和α-curcumene合成 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AITPS71 | AITPS71 | 催化 | 倍半萜合酶，受AIWRKY20调控，参与cis-β-farnesene和α-curcumene合成 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AITPS1 | AITPS1 | 催化 | 倍半萜合酶，催化合成elemol和β-farnesene，与AIWRKY13/20/37正相关 |
| Atractylodes lancea (茅苍术) | 倍半萜生物合成 | AITPS2 | AITPS2 | 催化 | 倍半萜合酶，催化β-farnesene合成，与AIWRKY21/49共表达 |
关键发现
- 鉴定出65个AlWRKY基因，分为Group I（17个）、Group II（33个）和Group III（15个），其中Group II又分为5个亚组
- 筛选出5个根茎高表达基因（AIWRKY13/20/21/37/49）在湖北种群中表达显著高于江苏种群
- qPCR验证AIWRKY20、AIWRKY21、AIWRKY37、AIWRKY49在湖北根茎中上调
- 湖北种群中hinesol含量为55.69±7.61%，江苏为0.42±0.13%，γ-eudesmol分别为6.98±1.68%和0.01±0.01%，elemol分别为2.23±0.42%和0
- MeJA处理12h后AIWRKY20、AIWRKY37、AITPS70、AITPS71协同上调，同时cis-β-farnesene和α-curcumene含量显著增加（p<0.05）
- 分子对接显示AIWRKY20与AITPS70/AITPS71启动子、AIWRKY37与AITPS70启动子形成高亲和力结合（docking score<-200，confidence score>0.7），分别形成11、11和15个氢键
- AIWRKY20和AIWRKY37定位于细胞核。
研究结论
AIWRKY20和AIWRKY37很可能作为倍半萜生物合成的正向调控因子，通过调控AITPS基因表达促进cis-β-farnesene和α-curcumene的合成，为茅苍术倍半萜代谢工程提供了重要的基因资源和理论依据。