Combined Analysis of Volatile Terpenoid Metabolism and Transcriptome Reveals Transcription Factors Related to Terpene Synthase in Two Cultivars of Dendrobium officinale Flowers
- 作者
- Ninghong Li, Yingxue Dong, Min Lv, Li Qian, Xu Sun, Lin Liu, Yongping Cai, Honghong Fan
- 单位
- School of Life Sciences, Anhui Agricultural University, Hefei, China
- 杂志
- Frontiers in Genetics（2021）
- DOI
- 10.3389/fgene.2021.661296
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析铁皮石斛两个不同香气品种花朵中挥发性萜类代谢差异及其转录调控机制，挖掘参与萜类生物合成的关键基因和转录因子
研究策略
对两个品种的花朵进行GC-MS挥发性萜类测定和转录组测序，利用WGCNA构建基因共表达网络，将TPS基因与转录因子关联分析，并通过qRT-PCR验证
核心内容
该研究以铁皮石斛两个不同香气品种（Wanhu No.5和Wanhu No.6）的花朵为材料，通过GC-MS挥发性萜类测定与转录组测序联合分析，解析了挥发性萜类代谢差异及其转录调控机制。GC-MS共检测到13种挥发性萜类，两品种中萜类均占挥发性化合物的80%以上，其中α-蒎烯和桉叶油素为主要组分，但相对含量差异显著：Wanhu No.5中α-蒎烯为36.63%，而Wanhu No.6中高达60.29%。转录组共鉴定25,484个基因，其中253个映射到萜类代谢通路。WGCNA共表达网络分析将13个TPS基因与AP2/ERF、WRKY、MYB、bHLH、bZIP五类转录因子关联，发现与Wanhu No.6相比，Wanhu No.5中6个TPS基因上调超过2倍，8个TPS基因下调超过2倍。结果表明，两品种挥发性萜类组成的多样性主要由TPS基因的差异表达引起，而非MVA/MEP上游基因，所鉴定的转录因子可能通过调控TPS基因参与萜类代谢的品种特异性调控，为铁皮石斛香气品质的分子改良提供了候选基因资源。
创新点
首次对铁皮石斛两个不同香气品种的花朵进行挥发性萜类与转录组联合分析，通过WGCNA鉴定出13个TPS基因与AP2/ERF、WRKY、MYB、bHLH、bZIP五类转录因子的共表达关系
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | DoTPS03, DoTPS04, DoTPS05, DoTPS06, DoTPS07, DoTPS10, DoTPS11, DoTPS13, DoTPS15, DoTPS18 | 萜烯合酶（TPS） | 催化 | 13个TPS基因位于不同WGCNA模块，催化单萜和倍半萜合成 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | AP2/ERF家族基因 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 与TPS基因共表达，可能调控TPS表达 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | WRKY家族基因 | WRKY转录因子 | 调控 | 与TPS基因共表达，可能调控TPS表达 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | MYB家族基因 | MYB转录因子 | 调控 | 与TPS基因共表达，可能调控TPS表达 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | bHLH家族基因 | bHLH转录因子 | 调控 | 与TPS基因共表达，可能调控TPS表达 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | bZIP家族基因 | bZIP转录因子 | 调控 | 与TPS基因共表达，可能调控TPS表达 |
| 铁皮石斛（Dendrobium officinale） | 萜类生物合成途径（MVA/MEP） | HMGR, HMGS | HMG-CoA还原酶/合酶 | 催化 | MVA途径上游关键酶，在两品种间差异表达 |
关键发现
- Wanhu No.5花中检测到18种挥发性化合物，其中萜类占80%，烷烃占8.6%；Wanhu No.6检测到20种，萜类占84.57%，烷烃占5.51%。两品种共检测到13种挥发性萜类。Wanhu No.5主要萜类：α-蒎烯36.63%、桉叶油素23.51%、α-松油醇29.81%、芳樟醇4.18%、β-月桂烯2.26%、β-蒎烯1.89%；Wanhu No.6主要萜类：α-蒎烯60.29%、桉叶油素26.96%、β-月桂烯3.83%、β-蒎烯3.17%、γ- muurolene
- 43%、δ- elemene
- 3%。转录组检测到25,484个基因，两品种间有18,650个差异表达基因，其中253个基因映射到萜类代谢通路。WGCNA共获得10个模块，最大turquoise模块含6,047个基因。13个TPS基因与AP2/ERF、WRKY、MYB、bHLH、bZIP转录因子相关。与Wanhu No.6相比，Wanhu No.5中6个TPS基因上调超过2倍，8个TPS基因下调超过2倍。
研究结论
两个铁皮石斛品种花朵中挥发性萜类组成差异显著，这种多样性主要由TPS基因的差异表达引起，而非MVA/MEP上游基因。WGCNA鉴定的AP2/ERF、WRKY、MYB、bHLH、bZIP等转录因子可能通过调控TPS基因参与萜类代谢调控。