Transcriptional Analysis of Metabolic Pathways and Regulatory Mechanisms of Essential Oil Biosynthesis in the Leaves of Cinnamomum camphora (L.) Presl
- 作者
- Jiexi Hou, Jie Zhang, Beihong Zhang, Xiaofang Jin, Haiyan Zhang, Zhinong Jin
- 单位
- Jiangxi Provincial Engineering Research Center for Seed-Breeding and Utilization of Camphor Trees, The School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang, China; Key Laboratory of Silviculture, Co-Innovation Center of Jiangxi Typical Trees Cultivation and Utilization, College of Forestry, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, China
- 杂志
- Frontiers in Genetics（2020）
- DOI
- 10.3389/fgene.2020.598714
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
樟树（Cinnamomum camphora）精油主要成分为单萜和倍半萜，但其萜类生物合成的分子机制尚不清楚，缺乏关键调控基因的鉴定。
研究策略
选取高精油产量的芳樟醇型樟树和低精油产量樟树进行RNA-Seq，通过de novo组装构建转录组，比较转录组分析鉴定差异表达基因，结合KEGG注释筛选萜类生物合成候选基因，并用qRT-PCR验证。
核心内容
本研究以高精油产量的芳樟醇型樟树和低精油产量樟树为材料，通过RNA-Seq及de novo组装构建了叶片转录组，比较分析旨在揭示精油中单萜和倍半萜生物合成的分子机制。研究共组装获得121,285个unigenes，N50为1,063 bp，BUSCO完整度达79.8%。高、低产植株精油产量分别为1.3%和0.3%，芳樟醇型精油中β-芳樟醇约占90%。比较转录组鉴定出3,689个差异表达基因，其中2,120个上调、1,569个下调；31个候选基因注释到萜类及多酮化合物代谢通路。关键酶基因如AACT-like、DXS-like、GGPPS-like、LIS-like等在高产芳樟醇型叶片中显著上调，并发现WRKY转录因子可能参与萜类合成的调控。该工作为樟树精油生物合成提供了高质量转录组资源，鉴定的候选基因与调控因子为精油代谢工程改良和优良品种选育奠定了分子基础。
创新点
首次对高、低精油产量樟树进行全基因组转录组比较；鉴定出多个萜类生物合成关键酶基因（如AACT-like、DXS-like、GGPPS-like、LIS-like等）在高等油产量中上调；提出WRKY转录因子可能参与调控萜类合成。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cinnamomum camphora | MVA pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | AACT-like | 乙酰-CoA C-乙酰转移酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | MVA pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | HMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 参与MVA途径 |
| Cinnamomum camphora | MVA pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 参与MVA途径 |
| Cinnamomum camphora | MVA pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | MVD | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | 参与MVA途径 |
| Cinnamomum camphora | MEP pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调，MEP途径关键酶 |
| Cinnamomum camphora | MEP pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 参与MEP途径 |
| Cinnamomum camphora | MEP pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | HDS | 羟甲基丁烯基-4-二磷酸合酶 | 催化 | 参与MEP途径 |
| Cinnamomum camphora | MEP pathway (terpenoid backbone biosynthesis) | HDR | (E)-4-羟基-3-甲基-丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 参与MEP途径 |
| Cinnamomum camphora | Terpenoid backbone biosynthesis | IDI | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP互变 |
| Cinnamomum camphora | Monoterpenoid biosynthesis | GPPS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 合成单萜前体GPP |
| Cinnamomum camphora | Sesquiterpenoid biosynthesis | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 合成倍半萜前体FPP |
| Cinnamomum camphora | Diterpenoid biosynthesis | GGPPS | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调，合成二萜前体GGPP |
| Cinnamomum camphora | Monoterpenoid biosynthesis | LIS | 芳樟醇合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调，催化芳樟醇合成，与CoLIS-LL序列一致性>99% |
| Cinnamomum camphora | Monoterpenoid biosynthesis | GerS | 香叶醇合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Sesquiterpenoid biosynthesis | GerD | (-)-大牻牛儿烯D合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Diterpenoid biosynthesis | CLS | 对映-柯巴基二磷酸合酶 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Diterpenoid biosynthesis | CYP88D6 | 细胞色素P450 88D6 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Diterpenoid biosynthesis | GA2OX1 | 赤霉素2-β-双加氧酶1 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Diterpenoid biosynthesis | GA2OX8 | 赤霉素2-β-双加氧酶8 | 催化 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Terpenoid biosynthesis regulation | WRKY21-like | WRKY转录因子21类似蛋白 | 调控 | 在高精油产量组中表达上调，可能调控萜类合酶基因表达 |
| Cinnamomum camphora | Terpenoid biosynthesis regulation | WRKY47-like | WRKY转录因子47类似蛋白 | 调控 | 在高精油产量组中表达上调 |
| Cinnamomum camphora | Terpenoid biosynthesis regulation | WRKY65-like | WRKY转录因子65类似蛋白 | 调控 | 在高精油产量组中表达上调 |
关键发现
- 共组装121,285个unigenes，总长87,869,987 bp，平均长度724 bp，N50为1,063 bp，GC含量41.1%，BUSCO完整度79.8%
- 高、低油产量树精油产量分别为1.3%和0.3%
- 芳樟醇型精油中β-芳樟醇约占90%
- 共鉴定出3,689个差异表达基因（DEGs），其中2,120个上调、1,569个下调
- 31个候选基因注释到萜类和多酮化合物代谢，包括4个单萜生物合成和3个萜类骨架生物合成基因
- AACT-like、DXS-like、GGPPS-like、LIS-like、GerS-like等基因在芳樟醇型叶片中显著上调表达。
研究结论
本研究为樟树精油生物合成提供了高质量的转录组资源，鉴定了一系列萜类生物合成候选基因，为精油代谢工程和优良品种选育提供了理论基础。