Identification of key genes involved in the biosynthesis of triterpenic acids in the mint family
- 作者
- Zahra Aminfar, Babak Rabiei, Masoud Tohidfar, Mohammad Hossein Mirjalili
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-52090-z
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
鉴定薄荷科植物中三萜酸（包括桦木酸、齐墩果酸和熊果酸）生物合成途径中的关键基因，为代谢工程改造提供靶点。
研究策略
通过转录组数据挖掘、共表达网络分析、组织特异性代谢物-表达相关性分析，结合基于MEME算法设计科特异简并引物，在迷迭香、药用鼠尾草和波斯百里香中验证基因表达与三萜酸含量的关系。
核心内容
该研究旨在鉴定薄荷科植物三萜酸生物合成途径的关键基因，为代谢工程改造提供靶点。研究结合转录组数据挖掘、共表达网络分析及组织特异性代谢物—表达相关性分析，并利用基于MEME算法设计的科特异简并引物，在迷迭香、药用鼠尾草和波斯百里香中验证基因表达与三萜酸含量的关系。结果显示，迷迭香叶片桦木酸含量最高达11.20 mg/g DW，药用鼠尾草叶片熊果酸含量达14.1 mg/g DW；角鲨烯环氧酶（SQE）基因表达与三萜酸含量在三种植物中均显著正相关，且SQE与氧化角鲨烯环化酶（OSCs）高度共表达。研究首次提出SQE和OSCs作为提高薄荷科植物三萜产量的关键靶点，并揭示了不同组织中三萜酸谱与基因表达的关联，为后续代谢工程改造三萜酸生物合成途径提供了明确的理论依据和候选基因。
创新点
利用MEME算法针对薄荷科植物设计简并引物，结合共表达网络分析首次提出鳞烯环氧酶（SQE）和氧化角鲨烯环化酶（OSCs）作为提高三萜产量的关键靶点；首次报道这三种植物不同组织中三萜酸谱与基因表达的关联。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 甲羟戊酸（MVA）途径 | FDS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 编码法尼基二磷酸合酶，催化IPP和DMAPP生成FDP，为三萜前体提供底物 |
| — | 三萜酸生物合成途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FDP缩合生成角鲨烯 |
| — | 三萜酸生物合成途径 | SQE | 角鲨烯环氧酶（角鲨烯单加氧酶） | 催化 | 催化角鲨烯环氧化生成2,3-氧化角鲨烯，是限速酶，与OSCs共表达 |
| — | 三萜酸生物合成途径 | LUS | 羽扇醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成羽扇醇，为桦木酸前体 |
| — | 三萜酸生物合成途径 | BAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成β-香树脂醇，为齐墩果酸前体 |
| — | 三萜酸生物合成途径 | MFAS | 混合功能香树脂醇合酶 | 催化 | 催化生成α-香树脂醇和β-香树脂醇（比例5:3），为熊果酸和齐墩果酸前体 |
关键发现
- 最高三萜酸含量：迷迭香叶片中桦木酸含量为11.20±0.6 mg/g DW，药用鼠尾草叶片中齐墩果酸含量为5.75±0.52 mg/g DW、熊果酸含量为14.1±0.98 mg/g DW
- 药用鼠尾草根中总三萜酸含量为7.50±0.16 mg/g DW。基因表达水平：RoSQE为5.96±0.18，SoSQE为4.39±0.48，TpSQE为2.19±0.18，SoBAS为4.76±0.45，RoLUS为4.28±0.24。相关性分析显示SQE基因表达与三萜酸含量在三种植物中均显著正相关，且SQE与OSCs高度共表达。
研究结论
鳞烯环氧酶（SQE）和氧化角鲨烯环化酶（OSCs）是薄荷科植物三萜酸生物合成途径的关键基因，可作为代谢工程改造以提高三萜酸产量的优选靶点。