Integrated transcriptomic and targeted triterpenoid profiling reveals key enzymes in triterpenoid biosynthesis of Oplopanax elatus
- 作者
- Hong Ju Choi, Ji Won Seo, Jiu Park, Won Hyeok Choi, Myong Jo Kim, Eun Soo Seong
- 单位
- Interdisciplinary Program in Smart Agriculture, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea; Department of Applied Plant Sciences, Division of Bioresource Sciences, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea
- 杂志
- Scientific Reports（2026）
- DOI
- 10.1038/s41598-026-44725-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
濒危药用植物东北刺人参(Oplopanax elatus)中三萜类化合物的积累机制尚不清楚，且以往转录组研究未将三萜积累与特定的氧化角鲨烯环化酶(OSC)基因表达及功能验证联系起来。
研究策略
整合HPLC靶向代谢物定量、公共转录组数据重分析、qRT-PCR验证、系统发育分析、保守基序表征和蛋白-配体分子对接，多层级鉴定三萜生物合成关键酶。
核心内容
本研究以濒危药用植物东北刺人参为对象，通过整合高效液相色谱靶向代谢物定量、公共转录组数据重分析、qRT-PCR验证、系统发育分析、保守基序表征及蛋白-配体分子对接等多层级手段，系统解析了三萜类化合物的生物合成机制。定量结果显示，8周再生组织中齐墩果酸、羽扇豆醇和白桦脂醇含量分别由0周根部的8.28、70.11和9.22 μg/mL升至15.85、97.60和20.89 μg/mL，表明再生过程伴随三萜积累显著增强。转录组与qRT-PCR分析将这一升高与两个氧化鲨烯环化酶基因的强烈上调相关联：β-香树脂醇合酶基因Gene_22342T在8周表达量为0周的3倍以上，羽扇豆醇合酶基因Gene_05624T则提高超过30倍。分子对接显示β-amyrin与Gene_22342T结合亲和力为-8.682 kcal/mol，lupeol与Gene_05624T为-9.249 kcal/mol，且二者分别携带QW、MWCYCYR及QW、MLCYCR、DCTAE等典型功能基序，进一步支持其催化功能。该研究首次在功能层面将特定OSC基因表达与东北刺人参中三萜积累联系起来，尽管未开展异源表达等直接验证，但为后续代谢工程改造及该濒危物种的保护性利用奠定了重要基础。
创新点
首次将再生组织中三萜含量增加与特定OSC基因（β-香树脂醇合酶Gene_22342T、羽扇豆醇合酶Gene_05624T）的上调及功能特征联系起来；进行了基序分析、系统发育验证和分子对接等此前未有的功能层面证据。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | AACT | 乙酰辅酶A C-乙酰转移酶 | 催化 | 催化乙酰辅酶A缩合 |
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | MCT | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | CMK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | MCS | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | HDS | (E)-4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | HDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | IDI | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | — |
| Oplopanax elatus | 类异戊二烯前体合成 | GPS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 转录组鉴定出2个unigenes |
| Oplopanax elatus | 类异戊二烯前体合成 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 1个unigene |
| Oplopanax elatus | 角鲨烯合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 1个unigene |
| Oplopanax elatus | 角鲨烯环氧 | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 1个unigene |
| Oplopanax elatus | 三萜骨架形成（OSC催化） | Gene_22342T | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 8W表达量较0W高3倍以上；含2个QW基序和1个MWCYCYR基序；与beta-amyrin结合亲和力-8.682 kcal/mol |
| Oplopanax elatus | 三萜骨架形成（OSC催化） | Gene_05624T | 羽扇豆醇合酶 | 催化 | 8W表达量较0W高30倍以上；含4个QW、1个MLCYCR和1个DCTAE基序；与lupeol结合亲和力-9.249 kcal/mol |
关键发现
HPLC分析显示，0周根中齐墩果酸、羽扇豆醇和白桦脂醇含量分别为8.28±0.09、70.11±1.74和9.22±0.28 μg/mL，而8周再生组织中分别升高至15.85±0.12、97.60±0.37和20.89±0.25 μg/mL。转录组和qRT-PCR证实，β-香树脂醇合酶基因Gene_22342T在8周表达量是0周的3倍以上，羽扇豆醇合酶基因Gene_05624T表达量提高30倍以上。分子对接显示beta-amyrin与Gene_22342T的结合亲和力为-8.682 kcal/mol，lupeol与Gene_05624T为-9.249 kcal/mol。此外，Gene_22342T含有两个QW基序和一个MWCYCYR基序，Gene_05624T含有四个QW、一个MLCYCR和一个DCTAE基序，支持其功能。
研究结论
本研究定量分析了东北刺人参中主要三萜化合物，发现8周再生组织中的含量高于0周根组织；通过转录组分析鉴定出β-香树脂醇合酶(Gene_22342T)和羽扇豆醇合酶(Gene_05624T)为关键候选酶，并结合表达模式、保守基序和分子对接证据支持其功能。尽管尚未进行异源表达等直接功能验证，但多层级整合分析为未来代谢工程和该濒危物种的保护利用提供了基础。