Integrating genomic and multionic data for Angelica sinensis provides insights into the evolution and biosynthesis of pharmaceutically bioactive compounds
- 作者
- Shiming Li, Tsan-Yu Chiu, Xin Jin, Dong Cao, Meng Xu, Mingzhi Zhu, Qi Zhou, Chun Liu, Yuan Zong, Shujie Wang, Kang Yu, Feng Zhang, Mingzhou Bai, Guangrui Liu, Yunlong Liang, Chi Zhang, Henrik Toft Simonsen, Jian Zhao, Baolong Liu, Shancen Zhao
- 杂志
- Communications Biology（2023）
- DOI
- 10.1038/s42003-023-05569-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
当归根部重要的药用活性成分（苯酞类、香豆素类、木脂素类、萜类等）的生物合成途径及其分子机制尚不清楚，缺乏高质量参考基因组限制了相关研究和遗传改良。
研究策略
整合染色体级别基因组组装、非靶向代谢组学、转录组学以及比较基因组学和基因家族进化分析，通过正常生长（NG）与早抽薹（EF）当归根部代谢物和基因表达差异，解析关键药用活性成分的生物合成途径及关键基因。
核心内容
该研究整合染色体级别基因组组装、非靶向代谢组学与转录组学，解析了当归根部主要药用活性成分（苯酞类、香豆素类、木脂素类及萜类）的生物合成途径和关键基因。研究者获得青归1号高质量参考基因组，大小为2.16 Gb，contig N50为4.96 Mb，BUSCO完整性超过99%，显著优于已发表的当归基因组。代谢组检测出716个高置信代谢物，正常生长根中Z-藁本内酯和Z-丁烯基苯酞及E型异构体占总挥发物的约47%，而早抽薹根仅占34%；早抽薹根中单萜如α-蒎烯和E-β-法尼烯显著减少，同时MEP途径多个酶基因（DXS、MDS、CMK、HDR等）下调，与萜类含量降低一致。基因组中TPS-b亚家族扩张至15个成员，ACC基因BCCP2有4个拷贝、CAC2-CAC3有5个拷贝，PKS家族含120个成员，其中4个PKS基因在根中高表达；此外鉴定出超过100个参与香豆素和木脂素生物合成的基因，PT基因家族存在扩张。该研究提供了高质量当归参考基因组，明确了苯酞、香豆素、萜类等活性成分合成的候选基因及其在正常与早抽薹根中的差异调控，为当归药用品质遗传改良和活性成分的合成生物学研究奠定了基因资源基础。
创新点
获得了更高质量的当归（品种青归1号）染色体级别基因组（2.16 Gb，contig N50 4.96 Mb，scaffold N50 198.27 Mb），BUSCO完整性>99%；纠正了此前关于当归在伞形科中进化位置的推断；通过多组学整合阐明了苯酞、香豆素、萜类等生物合成关键基因家族的扩张和候选基因。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 当归 (Angelica sinensis var. Qinggui1) | 苯酞类生物合成 (malonyl-CoA途径) | ACC (BCCP2, CAC2-CAC3) | 乙酰辅酶A羧化酶 | 催化 | 催化乙酰-CoA转化为丙二酰-CoA，为聚酮合酶提供底物；BCCP2基因4个拷贝，CAC2-CAC3基因5个拷贝，在EF根中部分亚基基因下调 |
| 当归 (Angelica sinensis var. Qinggui1) | 苯酞类生物合成 | PKS (As05G08873, As11G04238, As10G03800, As08G02849等) | 聚酮合酶 (类型III PKS) | 催化 | PKS基因家族120个成员，类型III PKS扩张；4个候选基因在根中高表达，部分在EF根中下调 |
| 当归 (Angelica sinensis var. Qinggui1) | 香豆素生物合成 | PT (异戊烯基转移酶) | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化伞形酮异戊烯基化，形成线性或角型呋喃香豆素；PT基因家族在当归基因组中扩张 |
| 当归 (Angelica sinensis var. Qinggui1) | 萜类生物合成 (MEP/MVA途径) | TPS (TPS-b亚家族, DXS, MDS, CMK, HDR, IPPI, GPPS) | 萜烯合酶及MEP途径相关酶 | 催化 | TPS基因共28个，TPS-b亚家族15个；MEP途径中MCT、HDS、HDR基因家族扩张；EF根中DSX、MDS、CMK、HDR、IPPI、GPPS等显著下调 |
| 当归 (Angelica sinensis var. Qinggui1) | 木脂素生物合成 (苯丙烷途径) | DIR, PLR, SIRD, UGT | 指导蛋白、松脂醇-落叶松脂醇还原酶等 | 催化 | EF根中木脂素生物合成基因上调，与木脂素含量增加一致；鉴定了100多个相关代谢基因 |
关键发现
- 基因组组装大小为2.16 Gb，contig N50为4.96 Mb，scaffold N50为198.27 Mb，覆盖估计基因组的99.8%
- 重复序列占80.24%
- 预测蛋白编码基因41,040个，BUSCO完整性>99%。与已发表的当归（GS）基因组相比，本组件的BUSCO完整率为96.41%（GS为88.10%），功能注释率为95.76%（GS为90.38%）。代谢组检测到716个高置信代谢物，其中299个差异代谢物（145个上调，154个下调）。正常生长（NG）根中Z-藁本内酯和Z-丁烯基苯酞及E型异构体占总挥发物的约47%，而早抽薹（EF）根中仅占34%，且单萜如α-蒎烯和E-β-法尼烯显著减少。基因组中TPS基因共28个，其中TPS-b亚家族扩张（15个）
- ACC亚基基因BCCP2有4个拷贝、CAC2-CAC3有5个拷贝
- PKS基因家族有120个成员，其中4个PKS基因（As05G08873、As11G04238、As10G03800、As08G02849）在根中高表达。EF根中多药MEP途径的DXS、MDS、CMK、HDR以及IPPI、GPPS基因显著下调，与萜类挥发物减少一致。鉴定出超过100个参与香豆素和木脂素生物合成的代谢基因，其中PT基因在当归基因组中扩张。
研究结论
本研究提供了一个高质量、染色体级别的当归参考基因组，通过多组学整合分析揭示了当归根部主要药用活性成分（苯酞类、香豆素类、萜类和木脂素类）的生物合成途径和关键候选基因，并阐明了这些基因在正常生长与早抽薹根中的差异表达及其与代谢物含量的关联。这些发现为当归药用品质的遗传改良以及重要活性成分的合成生物学研究提供了新见解和基因资源。