Metabolome analysis of key genes for synthesis and accumulation of triterpenoids in Wolfiporia cocos
- 作者
- GuiPing Zeng, Zhong Li, Zhi Zhao
- 杂志
- Scientific Reports（2022）
- DOI
- 10.1038/s41598-022-05610-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定茯苓三萜化合物合成与积累的关键基因及其调控作用，为发酵生产三萜提供理论依据。
研究策略
以茯苓高、低产三萜的两个单孢菌株为材料，结合代谢组学（LC-MS）与转录组学分析，通过差异代谢物筛选、KEGG富集、STEM趋势分析和基因-代谢物关联网络，锁定关键基因。
研究路线图
核心内容
本研究以茯苓高产与低产三萜的两个单孢菌株为材料，整合LC-MS代谢组学与转录组学分析，系统鉴定了三萜合成与积累的关键基因。在17、34、51天三个培养时期共检测到8219种代谢物，其中已知物质7591种（92.36%），且各时期低产菌株的下调代谢物数量均多于上调代谢物。KEGG富集显示差异代谢物主要集中于甾醇生物合成与ABC转运通路。通过基因-代谢物关联网络分析，锁定erg11（羊毛甾醇14α-脱甲基酶）和FDPS（法尼基焦磷酸合酶）为关键基因，二者在三萜低产菌株中高表达，并与三萜相关差异代谢物呈紧密正相关，推测其高表达将前体物质分流至甾醇或其他萜类支路，导致三萜积累下降。此外，STEM趋势分析表明戊糖与葡萄糖醛酸相互转化通路在低产菌株中呈上升趋势，提示三萜与多糖合成可能呈相反趋势。本研究首次将多组学关联分析应用于茯苓三萜关键基因鉴别，为通过调控erg11和FDPS表达来提高三萜产量提供了明确靶点。
创新点
首次将代谢组学与转录组学关联分析用于茯苓三萜合成关键基因的鉴别，揭示了erg11和FDPS高表达可能通过分流前体物质导致三萜积累下降，并提出三萜与多糖合成可能呈相反趋势。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Wolfiporia cocos (茯苓) | 三萜生物合成 | erg11 (Unigene0015621) | 羊毛甾醇14α-脱甲基酶 | 催化 | 甾醇合成途径基因，与三萜前体分流相关，在低产菌株L中高表达 |
| Wolfiporia cocos (茯苓) | 萜类骨架生物合成 (MVA途径) | FDPS (Unigene0002741) | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化DMAPP与两分子IPP缩合生成FPP，是异戊二烯生物合成的限速步骤，在L菌株中高表达 |
| Wolfiporia cocos (茯苓) | 类胡萝卜素生物合成 | CAO2 (Unigene0011353) | 类胡萝卜素加氧酶 | 催化 | 催化torulene生成β-Apo-4-carotenal，与二萜香叶基香叶醇正相关 |
| Wolfiporia cocos (茯苓) | 三萜生物合成相关调控 | DBp3 | — | 调控 | 与(R)-5-phosphomevalonate和赤霉素A4正相关，与胆固醇月桂酸酯负相关 |
| Wolfiporia cocos (茯苓) | 三萜生物合成相关调控 | unigene0000406 | — | 调控 | 调控基因，与(R)-5-phosphomevalonate和赤霉素A4正相关 |
| Wolfiporia cocos (茯苓) | ABC转运 | — | ABC转运蛋白 | 转运 | KEGG富集提示ABC转运与三萜积累相关，但未鉴定具体基因 |
关键发现
- 共检测到正离子4909种、负离子3310种，总8219种，其中已知物质7591种（92.36%）
- 三种培养时期（17、34、51天）下两菌株的下调代谢物数量均多于上调代谢物（正离子模式下调代谢物分别为331、227、218个，负离子模式分别为130、133、135个）
- KEGG富集分析显示差异代谢物主要富集于甾醇生物合成和ABC转运通路
- STEM分析发现茯苓多糖合成相关代谢通路（戊糖和葡萄糖醛酸相互转化）在L菌株中呈上升趋势，提示L菌株多糖积累可能更高
- 关联分析表明erg11（Unigene0015621）和FDPS（Unigene0002741）与三萜相关差异代谢物（如(+)-pulegone）呈紧密正相关，且两者在L菌株中高表达，推测其催化产物促使前体流向其他支路，导致三萜积累降低。
研究结论
茯苓三萜合成与积累的核心基因是erg11和FDPS，其高表达可能将三萜前体分流至甾醇或其他萜类合成途径，从而降低三萜积累；三萜与多糖的积累呈相反趋势，为通过调控关键基因表达提高三萜产量提供了新思路。