Taxus yunnanensis genome offers insights into gymnosperm phylogeny and taxol production
- 作者
- Chi Song, Fangfang Fu, Lulu Yang, Yan Niu, Zhaoyang Tian, Xiangxiang He, Xiaoming Yang, Jie Chen, Wei Sun, Tao Wan, Han Zhang, Yicheng Yang, Tian Xiao, Komivi Dossa, Xiangxiao Meng, Fuliang Cao, Yves Van de Peer, Guibin Wang, Shilin Chen
- 杂志
- Communications Biology（2021）
- DOI
- 10.1038/s42003-021-02697-8
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
紫杉醇生物合成途径不完整，红豆杉属缺乏高质量基因组，且裸子植物系统发育关系存在争议。
研究策略
利用Oxford Nanopore、Illumina和Hi-C测序组装云南红豆杉染色体级基因组，结合转录组、比较基因组和进化分析，揭示紫杉醇合成相关基因簇及CYP725A基因家族扩张。
核心内容
本研究组装了云南红豆杉（Taxus yunnanensis）的染色体级高质量基因组，基因组大小为10.73 Gb，contig N50达2.89 Mb，12条染色体覆盖10.63 Gb和98.95%的基因。结合转录组与比较基因组分析发现，该物种无近期全基因组复制事件，基因组庞大主要源于LTR反转录转座子扩张，其中Gypsy插入集中于8–24百万年前。系统发育分析显示其与巨杉分化于133.4–213.0百万年前，并鉴定到575个扩张和907个收缩的基因家族。研究重点发现CYP725A亚家族显著扩张，共68个特异基因，其中40个位于12号染色体76.2 Mb区域，与TXS、DBAT等已知紫杉醇合成基因共同形成基因簇；另有12个未表征的CYP725基因与已知羟化酶共表达（Pearson>0.8，P<0.05）。该基因组资源为解析紫杉醇生物合成途径中缺失的羟化步骤、以及推动紫杉醇的异源生产提供了关键遗传基础。
创新点
首次报道Taxaceae科染色体级别基因组；发现紫杉醇合成基因簇位于12号染色体76.2 Mb区域；CYP725A亚家族基因显著扩张且与已知紫杉醇合成基因共表达。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | TXS | 紫杉二烯合成酶 | 催化 | 催化GGPP生成taxadiene，位于12号染色体亚簇II |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | T5aOH | 紫杉烷5α-羟化酶 | 催化 | CYP450家族，位于12号染色体亚簇II，树皮高表达 |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | T10βOH | 紫杉烷10β-羟化酶 | 催化 | CYP450家族，位于12号染色体亚簇III，树皮高表达 |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | T2aOH | 紫杉烷2α-羟化酶 | 催化 | CYP450家族，位于12号染色体亚簇III |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | T7βOH | 紫杉烷7β-羟化酶 | 催化 | CYP450家族，位于12号染色体亚簇III |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | T13aOH | 紫杉烷13α-羟化酶 | 催化 | CYP450家族，位于12号染色体亚簇III |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 | 催化 | 位于12号染色体紫杉醇基因簇 |
| Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成 | CYP725A | CYP725A亚家族细胞色素P450氧化酶 | 催化 | 68个特异基因，62个属CYP725A，40个位于12号染色体 |
关键发现
- 基因组组装大小为10.73 Gb，contig N50
- 89 Mb，scaffold N50
- 80 Mb，12条染色体覆盖10.63 Gb和98.95%基因；注释34,931个蛋白编码基因；重复序列占74.11%，LTR占40.95%（Gypsy
- 95%，Copia
- 77%）；Gypsy插入主要发生在8-24 MYA；与巨杉分化时间133.4-213.0 MYA；575个基因家族扩张，55个显著扩张，907个收缩；2328个基因家族为云南红豆杉特有；CYP450基因共624个，CYP725A亚家族68个特异基因，其中62个属于CYP725A；40个CYP725A基因位于12号染色体，形成含TXS、DBAT等基因的紫杉醇基因簇；12个未表征CYP725基因与已知羟化酶共表达（Pearson >0.8，P<0.05）。
研究结论
高质量云南红豆杉基因组揭示其无近期全基因组复制，LTR反转录转座子扩张导致基因组庞大；CYP725A基因家族显著扩张并在12号染色体聚集共表达，为紫杉醇生物合成途径解析和异源生产提供了重要基础。