Comparative transcriptomics of two Salvia subg. Perovskia species contribute towards molecular background of abietane-type diterpenoid biosynthesis
- 作者
- Monika Bielecka, Marta Stafiniak, Bartosz Pencakowski, Sylwester Ślusarczyk, Jan Paweł Jastrzębski, Łukasz Paukszto, Łukasz Łaczmański, Shima Gharibi, Adam Matkowski
- 杂志
- Scientific Reports（2024）
- DOI
- 10.1038/s41598-024-53510-5
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
解析两种近缘鼠尾草属植物Salvia abrotanoides和Salvia yangii间abietane型二萜（包括丹参酮）代谢谱差异的分子基础，寻找参与丹参酮生物合成的候选基因。
研究策略
代谢组学引导的转录组学：利用UHPLC-qTOF-MS分析二萜季节变化，结合RNA-seq从头组装转录组，进行差异表达分析、GO/KEGG富集、同源搜索和qRT-PCR验证。
核心内容
该研究对两种近缘鼠尾草属植物Salvia abrotanoides和Salvia yangii进行了比较转录组学分析，旨在解析二者abietane型二萜（包括丹参酮）代谢谱差异的分子基础。代谢组学分析显示隐丹参酮在S. abrotanoides根中于生长季末达9.89 mg/g d.w.，而在S. yangii根中于生长季中达9.12 mg/g d.w.，提示二者积累模式存在差异。研究者利用RNA-seq从头组装了各自转录组，分别获得37万余和25万余个转录本，并通过差异表达分析、GO/KEGG富集及同源搜索，鉴定出39个与abietane型二萜生物合成相关的候选转录本，其中包含多个新的CYP450和2-ODD基因。CYP76AH89在S. abrotanoides根中表达量高达1290 FPKM，与丹参酮生物合成关键酶CYP76AH23相似性达93.3%；CYP76AK25和CYP71D754亦呈根特异高表达。该研究构建了二萜生物合成相关基因的表达图谱，提出CYP76AH89可能为多功能酶，为丹参酮途径的进一步功能验证和代谢工程优化提供了候选基因资源。
创新点
['对两种近缘Salvia subg. Perovskia植物的根和叶进行de novo转录组组装和比较转录组分析，获得大量DEGs和候选基因。', '发现39个与abietane型二萜生物合成相关的转录本，包括多个新的CYP450和2-ODD候选基因。', '提出CYP76AH89可能为多功能酶，并讨论了其及CYP76AH90、CYP76AH91等候选基因在丹参酮生物合成中的潜在作用。', '结合代谢物定量和季节表达分析，构建了二萜生物合成相关基因的表达图谱，为丹参酮途径的进一步解析提供资源。']
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | MVA pathway (cytosol) | AACT | Acetyl-CoA C-acetyltransferase | 催化 | MVA途径首个酶，多个转录本在不同器官中表达。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | MVA pathway (cytosol) | HMGR | 3-Hydroxy-3-methyl-glutaryl coenzyme A reductase | 催化 | 根特异转录本DN46275_c4_g11_i1在S. abrotanoides根中表达较高。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | MEP pathway (plastid) | DXS | 1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 多个转录本，其中DN43908_c1_g1_i2在根中高表达。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Terpenoid backbone biosynthesis | GGPPS | Geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 催化GGPP合成，为二萜前体提供底物。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Diterpenoid biosynthesis | CPS | Copalyl diphosphate synthase | 催化 | 二萜环化第一步，根中高表达。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Diterpenoid biosynthesis | KSL | Kaurene synthase-like / Miltiradiene synthase | 催化 | 催化形成abietane型骨架。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Abietane-type diterpenoid / tanshinone biosynthesis | CYP76AH89 | Cytochrome P450 CYP76AH89 | 催化 | 根特异高表达，与CYP76AH23相似性93.3%，推测为多功能酶。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Abietane-type diterpenoid / tanshinone biosynthesis | CYP76AH90 | Cytochrome P450 CYP76AH90 | 催化 | 与SmCYP76AH1相似性87%，可能参与ferruginol合成。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Abietane-type diterpenoid / tanshinone biosynthesis | CYP76AH91 | Cytochrome P450 CYP76AH91 | 催化 | 与CYP76AH6相似性92.2%，表达量较低。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Abietane-type diterpenoid / tanshinone biosynthesis | CYP76AK25 | Cytochrome P450 CYP76AK25 | 催化 | 根特异表达，与SmCYP76AK5相似性83.8%。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Carnosic acid biosynthesis | CYP76AK-fragment1 | Cytochrome P450 (partial, carnosic acid synthase-like) | 催化 | 与S. rosmarinus carnosic acid synthase CYP76AK8相似性90%。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Tanshinone biosynthesis | 2-ODD14 | 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase / tanshinone IIA synthase | 催化 | 与Sm2-ODD14 (TIIAS)相似性84.7%。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Tanshinone biosynthesis | CYP71D754 | Cytochrome P450 CYP71D754 | 催化 | 根特异表达，与SmCYP71D411相似性86.8%。 |
| Salvia abrotanoides; Salvia yangii | Abietane-type diterpenoid biosynthesis | CYP71BE213 | Cytochrome P450 CYP71BE213 | 催化 | 与S. pomifera CYP71BE52相似性77.84%。 |
关键发现
- 转录组组装获得S. yangii 372,862个潜在转录本、S. abrotanoides 258,647个
- 134,443个转录本获得UniProt注释，其中56,693个为Viridiplantae。差异表达分析在四个比较中分别鉴定出463、362、922和835个DEGs。代谢物定量显示隐丹参酮在S. abrotanoides根中于EOS达9.89 mg/g d.w.，S. yangii根中于MOS达9.12 mg/g d.w.
- 鼠尾草酚在S. abrotanoides中EOS达3.11 mg/g d.w.。CYP76AH89在S. abrotanoides根中表达量最高，达1290.2/1357.5 FPKM，S. yangii根中为543.1/543.4 FPKM
- CYP76AK25根特异表达645.5/677.7 FPKM（S. abrotanoides）和231.8/209.9 FPKM（S. yangii）
- CYP71D754在S. abrotanoides根中达604.5/620.5 FPKM。序列分析发现CYP76AH89与CYP76AH23相似性93.3%，CYP76AH90与SmCYP76AH1相似性87%，CYP76AK25与SmCYP76AK5相似性83.8%，2-ODD14与Sm2-ODD14相似性84.7%。共发现39个与abietane型二萜生物合成相关的转录本。
研究结论
通过比较转录组学构建了S. abrotanoides和S. yangii中参与abietane型二萜（包括丹参酮）生物合成的候选基因数据集，提出CYP76AH89等候选基因可能在丹参酮生物合成中发挥重要作用，为后续功能验证和代谢工程优化提供了宝贵资源。