Transcriptomic analysis reveals potential genes involved in tanshinone biosynthesis in Salvia miltiorrhiza
- 作者
- Yujie Chang, Meizhen Wang, Jiang Li, Shanfa Lu
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-51535-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析丹参酮生物合成途径中第三个阶段（从ferruginol到多样丹参酮的后修饰过程）的潜在基因，特别是细胞色素P450等氧化酶和调控因子
研究策略
对两个丹参品种（99-3和shh）的未成熟根、成熟根和成熟根周皮共18个样本进行转录组测序；通过差异表达分析、GO/KEGG富集、WGCNA鉴定与丹参酮生物合成相关的共表达模块和候选基因；并用MeJA处理验证候选CYP基因的表达变化
核心内容
该研究对丹参两个品种的未成熟根、成熟根及成熟根周皮共18个样本进行转录组测序，旨在解析丹参酮生物合成后期从ferruginol到多样丹参酮的后修饰过程相关基因。测序获得约8.87亿条干净读段，组装出35,466个基因，其中4,988个为新基因。通过差异表达分析和WGCNA共鉴定38个共表达模块，其中“cyan”模块含401个差异表达基因，包含19个已知丹参酮相关基因，被认定为与丹参酮生物合成强相关。从该模块中筛选出25个细胞色素P450（其中11个为新发现）、3个2OGD、1个SDR及8个转录因子作为候选基因。经MeJA处理验证，4个新CYP基因（SmCYP76A35、SmCYP76AK13、SmCYP72A327和SmCYP72A450）表达上调，提示其参与丹参酮合成。此外，SmCYP76AH29与SmCYP76AH3的氨基酸一致性达88.80%。该研究为丹参酮后修饰途径关键酶的功能鉴定及丹参代谢工程改造奠定了基因资源基础。
创新点
利用WGCNA从转录组数据中鉴定出与丹参酮生物合成强关联的“cyan”模块；从该模块中筛选出25个CYP（其中11个为本研究新发现）、3个2OGD、1个SDR和8个转录因子作为候选基因；通过MeJA处理发现4个新CYP（SmCYP76A35、SmCYP76AK13、SmCYP72A327、SmCYP72A450）表达上调
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（MVA/MEP途径、二萜骨架合成及后修饰） | SmCYP76AH1 | CYP76AH1 | 催化 | 已知催化miltiradiene生成ferruginol，是丹参酮后修饰的关键酶 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径 | SmCYP76AH3 | CYP76AH3 | 催化 | 与SmCYP76AK1共同催化ferruginol生成11,20-二羟基ferruginol和11,20-二羟基sugiol，形成分支途径 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径 | SmCYP76AK1 | CYP76AK1 | 催化 | 与SmCYP76AH3协同参与ferruginol后修饰 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（terpenoid backbone） | SmGGPPS1 | GGPPS1 | 催化 | 催化IPP/DMAPP合成GGPP，是二萜前体合成的关键酶 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径 | SmCPS1, SmKSL1 | CPS1, KSL1 | 催化 | 分别催化GGPP形成CPP和miltiradiene |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | SmCYP76A35 | CYP76A35 | 催化 | 本研究新鉴定，为hub基因，MeJA处理后表达上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | SmCYP76AK13 | CYP76AK13 | 催化 | 与SmCYP76AK1有69.18%氨基酸一致性，MeJA处理后表达上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | SmCYP72A327 | CYP72A327 | 催化 | CYP72A亚家族成员，MeJA处理后表达上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | SmCYP72A450 | CYP72A450 | 催化 | CYP72A亚家族成员，MeJA处理后表达上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | Sm2OGD-2, Sm2OGD-8, Sm2OGD-15 | 2OGD-2, 2OGD-8, 2OGD-15 | 催化 | 2-酮戊二酸依赖双加氧酶，可能参与氧化修饰 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成途径（后修饰） | SmSDR-3 | SDR-3 | 催化 | 短链醇脱氢酶，可能参与还原反应 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）根组织 | 丹参酮生物合成调控 | SmWRKY9, SmWRKY17, SmMYB27, SmMYB28, SmMYB100 | WRKY9, WRKY17, MYB27, MYB28, MYB100 | 调控 | 转录因子，在周皮特异表达，可能调控丹参酮合成 |
关键发现
- 共获得908.98百万条原始读段和887.06百万条干净读段
- Q20>98%，Q30>95%，平均GC含量47.93%
- 43%读段可比对到参考基因组，66.95%唯一比对
- 组装获得35,466个基因，其中30,478个已知，4,988个新基因。差异表达分析获得2,149个DEGs，其中1,104个在周皮中显著上调。WGCNA共鉴定38个模块，“cyan”模块包含401个DEGs（占18.66%），含19个已知丹参酮相关基因和15个已报道基因。该模块中有29个CYP基因，其中25个被认为可能参与丹参酮生物合成（14个已知，11个新发现）
- 另有3个2OGD（Sm2OGD-2、Sm2OGD-8、Sm2OGD-15）和1个SDR（SmSDR-3）。MeJA处理后，SmCYP76A35、SmCYP76AK13、SmCYP72A327和SmCYP72A450表达上调。SmCYP76AH29与SmCYP76AH1有72.80%氨基酸一致性，与SmCYP76AH3有88.80%一致性。
研究结论
本研究通过转录组分析和WGCNA鉴定了一个与丹参酮生物合成相关的“cyan”模块，并从中筛选出25个CYP、3个2OGD、1个SDR和8个转录因子作为可能参与丹参酮合成后期的候选基因；其中4个新CYP受MeJA诱导，提示其参与丹参酮生物合成，为后续功能验证和代谢工程改造提供了重要基础。