De Novo transcriptome assembly and differential expression analysis of catharanthus roseus in response to salicylic acid
- 作者
- Narges Soltani, Farhad Nazarian Firouzabadi, Alireza Shafeinia, Masoud Shirali, Ayeh Sadat Sadr
- 杂志
- Scientific Reports（2022）
- DOI
- 10.1038/s41598-022-20314-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
水杨酸对长春花中抗癌生物碱长春碱和长春新碱合成的影响机制尚不明确，缺乏转录组层面的系统研究
研究策略
对水杨酸处理和对照的长春花叶片进行RNA-Seq，采用de novo转录组组装，通过差异表达分析、qRT-PCR验证和HPLC测定生物碱含量，并结合转录因子和SSR标记分析
核心内容
该研究通过RNA-Seq对水杨酸处理和对照的长春花叶片进行de novo转录组组装，系统解析了水杨酸诱导抗癌生物碱合成的分子机制。经CD-Hit聚类共获得74,301条转录本，总组装碱基109,874,530 bp，N50为2201 bp。差异表达分析显示，水杨酸处理后共鉴定出8348个差异表达基因，其中3892个上调、4456个下调，且萜类吲哚生物碱通路中包括Tdc、G10h、Sls、Str、D4h、Dat在内的全部基因均显著上调。同时发现77,192个SSR标记和1895个转录因子，其中710个转录因子差异表达。HPLC测定表明，水杨酸处理后长春新碱含量显著增加，长春碱含量在第2、3天显著上升但第7天急剧下降。该研究首次从转录组水平全面揭示水杨酸对长春花TIAs通路的整体激活效应，证明水杨酸可作为提高长春花中抗癌生物碱产量的有效策略，也为该物种的分子标记开发和遗传改良提供了重要资源。
创新点
首次系统分析水杨酸处理后长春花TIAs通路全部基因的表达变化；鉴定大量SSR标记和差异表达转录因子
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP (甲基赤藓醇磷酸)通路 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 萜类前体生物合成第一步 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP通路 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径关键酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP通路 | ISPE | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | MEP途径酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP通路 | ISPH | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP通路 | ISPF | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | MEP途径酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | MEP通路 | GGPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 提供萜类前体 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | 莽草酸/色氨酸代谢 | AS | 邻氨基苯甲酸合酶 | 催化 | 色氨酸生物合成关键酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs (萜类吲哚生物碱)通路 | Tdc | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 将色氨酸转化为色胺 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | G10h | 香叶醇-10-羟化酶 | 催化 | 单萜部分生物合成 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | Sls | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 缩合色胺和裂环马钱子苷 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | Str | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 严格异胡豆苷合酶，TIAs途径关键酶 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | D4h | 脱乙酰氧基长春碱-4-羟化酶 | 催化 | vindoline生物合成后期 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | Dat | 脱乙酰长春碱O-乙酰转移酶 | 催化 | vindoline生物合成最后一步 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | ORCA2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 正向调控TIAs结构基因 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | ORCA3 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 调控TIAs基因表达 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | CrMYC2 | bHLH转录因子 | 调控 | 介导茉莉酸响应，调控ORCA基因 |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | WRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 结合Tdc启动子W-box，调控TIAs |
| Catharanthus roseus (长春花)叶片 | TIAs通路 | CrMYB2 | MYB转录因子 | 调控 | 调控ORCA表达，影响长春质碱和他波宁积累 |
关键发现
- 经CD-Hit聚类后共获得74,301条转录本，总组装碱基109,874,530 bp，平均长度1479 bp，N50为2201 bp
- Trinity组装得到120,739条转录本，总碱基191,022,812 bp。与对照相比，SA处理后共鉴定出8348个差异表达基因（DEGs），其中3892个上调、4456个下调。TIAs通路所有基因（如Tdc、G10h、Sls、Str、D4h、Dat）表达均上调。共发现77,192个SSR标记，其中二核苷酸占39%，三核苷酸占34%。鉴定出1895个转录因子，其中710个差异表达。HPLC分析显示，SA处理后长春新碱含量显著增加，长春碱含量在第2、3天显著增加但在第7天急剧下降。
研究结论
SA处理能够上调TIAs通路所有基因的表达，促进抗癌生物碱长春新碱和长春碱的合成，可作为提高长春花中抗癌生物碱产量的有效策略