Comparative transcriptome analysis of a taxol-producing endophytic fungus, Aspergillus aculeatinus Tax-6, and its mutant strain
- 作者
- Weichuan Qiao, Tianhao Tang, Fei Ling
- 杂志
- Scientific Reports（2020）
- DOI
- 10.1038/s41598-020-67614-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析产紫杉醇内生真菌 Aspergillus aculeatinus Tax-6 及其高产突变株 BT-2 的紫杉醇生物合成分子机制，揭示真菌中紫杉醇合成途径及产量低的原因。
研究策略
对野生型 Tax-6 和化学诱变突变株 BT-2 进行转录组测序与比较分析，结合 KEGG 通路注释和 qRT-PCR 验证关键酶基因表达差异。
核心内容
本研究对产紫杉醇内生真菌 Aspergillus aculeatinus Tax-6 及其化学诱变高产突变株 BT-2 进行了转录组测序与比较分析，旨在解析真菌中紫杉醇生物合成的分子机制及产量限制因素。通过组装获得 45,242 个 unigenes（N50 为 2029 bp），突变株 BT-2 相较野生型有 11,279 个基因上调和 8,097 个基因下调，其中约 15.69% 的 unigenes 表达变化超过两倍。BT-2 的紫杉醇产量达 560 μg/L，显著高于原始菌株。KEGG 通路注释显示，MVA 和 MEP 途径中多个前体供给相关基因（如 DXR、HDR、HMGS、HMGR、GPPs、GGPPS）在突变株中普遍上调，其中 GGPPS 表达差异尤为显著（p<0.01），表明上游前体供给的增强是产量提升的主要原因。然而，下游关键基因紫杉二烯合酶未被检测到，仅发现表达变化不显著的紫杉烷 10β-羟化酶，说明下游合成瓶颈依然存在。该转录组数据揭示了内生真菌紫杉醇产量低的核心原因在于下游关键酶缺失或低表达，为通过代谢工程强化下游途径、构建高产工程菌株提供了重要的分子靶点和基础。
创新点
首次对产紫杉醇内生真菌进行转录组分析；获得高产紫杉醇突变株 BT-2（560 μg/L）；发现真菌中紫杉醇合成下游关键基因（如紫杉二烯合酶）缺失或低表达是产量低的重要原因。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 甲羟戊酸途径（MVA） | — | HMGS | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶，催化乙酰CoA和乙酰乙酰CoA缩合 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 甲羟戊酸途径（MVA） | — | HMGR | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 甲羟戊酸途径（MVA） | — | HMDR | 催化 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 非甲羟戊酸途径（MEP） | — | DXR | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 非甲羟戊酸途径（MEP） | — | HDR | 催化 | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成 | — | IPPS | 催化 | 异戊烯基焦磷酸转移酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成 | — | GPPs | 催化 | 牻牛儿基焦磷酸合酶 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成 | — | GGPPS | 催化 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶，BT-2中显著上调(p<0.01) |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 紫杉醇下游合成 | — | T10βH | 催化 | 紫杉烷10β-羟化酶，细胞色素P450，表达变化不显著(p>0.05) |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 紫杉醇下游合成 | TS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 催化GGPP环化为紫杉-4(5),11(12)-二烯的关键酶，在转录组中未检测到 |
| Aspergillus aculeatinus BT-2 | 细胞周期 | — | — | 调控 | 突变株中细胞周期相关基因更活跃，可能促进生物量积累 |
| Aspergillus aculeatinus BT-2 | 氨基酸代谢 | — | — | 调控 | 甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢相关基因多数上调，与紫杉醇产量增加相关 |
关键发现
- 突变株 BT-2 的紫杉醇产量为 560 μg L⁻¹，高于原始菌株 Tax-6
- Tax-6 和 BT-2 分别获得 55,976,870 和 68,241,536 条原始读段，组装得到 45,242 个 unigenes，N50 为 2029 bp
- 与 Tax-6 相比，BT-2 中有 11,279 个基因上调、8,097 个基因下调，约 15.69%（3,041）的 unigenes 变化超过两倍
- MVA 和 MEP 途径相关基因（如 DXR、HDR、HMGS、HMDR、GPPs、GGPPS）在 BT-2 中普遍上调，其中 GGPPS 表达上调显著（p<0.01）
- 未检测到紫杉二烯合酶（TS）等下游关键基因，仅发现紫杉烷 10β-羟化酶（T10βH）表达，且其表达变化不显著（p>0.05）。
研究结论
内生真菌 Aspergillus aculeatinus 的紫杉醇合成主要依赖 MVA/MEP 途径提供前体，但下游关键基因（尤其是紫杉二烯合酶）的缺失或低表达导致紫杉醇产量低。突变株 BT-2 通过上调上游途径基因提高了前体供给，但下游瓶颈仍限制产量。转录组数据为构建高产紫杉醇基因工程菌株提供了分子基础。