Identification of candidate UDP-glycosyltransferases involved in protopanaxadiol-type ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng
- 作者
- Kyo Bin Kang, Murukarthick Jayakodi, Yun Sun Lee, Van Binh Nguyen, Hyun-Seung Park, Hyun Jo Koo, Ik Young Choi, Dae Hyun Kim, You Jin Chung, Byeol Ryu, Dong Young Lee, Sang Hyun Sung, Tae-Jin Yang
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-30262-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定参与人参原人参二醇型人参皂苷生物合成的候选UDP-糖基转移酶（UGT）基因，并解析其与MeJA诱导的皂苷积累的关系。
研究策略
对甲基茉莉酸（MeJA）处理的人参不定根进行时间序列的转录组测序和代谢组分析，通过差异基因表达、系统发育分析和代谢物谱分析，筛选出与PPD型人参皂苷糖基化相关的候选UGTs。
核心内容
该研究以人参不定根为材料，通过甲基茉莉酸（MeJA）处理并结合时间序列的转录组测序与代谢组分析，系统鉴定了参与原人参二醇型（PPD型）人参皂苷生物合成的候选UDP-糖基转移酶（UGT）基因。研究共鉴定出226个UGT基因，其中11个受MeJA诱导显著上调，包括8个新发现的UGTs。代谢物谱显示，MeJA处理后120小时，人参皂苷Rg5、Rd和Rb3分别累积增加106.3倍、43.0倍和32.2倍，而Rb1、Rb2和Rc也分别增加15.2倍、14.2倍和17.9倍，大多数PPD型皂苷在处理48小时后开始累积。通过差异表达基因与代谢物累积的关联分析，研究提出了PPD型人参皂苷糖基链延伸的可能途径，并筛选出PgUGT71A27、PgUGT74AE2等候选UGTs作为糖基化修饰的关键酶。这些发现为人参皂苷合成途径的解析提供了新的候选基因资源，也为后续通过代谢工程或合成生物学手段异源生产高价值人参皂苷奠定了重要基础。
创新点
鉴定出11个受MeJA诱导上调的UGT候选基因，其中8个为新发现的UGT；结合代谢组学提出PPD型人参皂苷糖基链延伸的可能途径，并发现Rg5、Rd、Rb3等皂苷在MeJA处理后显著累积。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | PgUGT71A27 (Pg_S4157.4) | UDP-糖基转移酶 UGT71A27 | 催化 | 已表征，催化PPD生成Compound K |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | PgUGT74AE2 (Pg_S4174.7) | UDP-糖基转移酶 UGT74AE2 | 催化 | 已表征，催化PPD生成Rh2，Compound K生成F2 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | PgUGT1 (Pg_S4493.1) | UDP-糖基转移酶 UGT1 | 催化 | 与已表征基因KF377585.1对应 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S4174.10 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT74家族，新候选 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S2390.5 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT74家族，新候选 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S2351.7 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT73家族，新候选 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S6708.3 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT94家族，新候选 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S0804.16 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT94家族，新候选 |
| Panax ginseng (人参) 不定根 | 人参皂苷生物合成 | Pg_S5521.1 | 候选UDP-糖基转移酶 | 催化 | UGT91家族，新候选 |
关键发现
- 共鉴定226个UGT基因，其中11个受MeJA诱导上调（8个为新UGTs）。MeJA处理后120h，人参皂苷Rg5、Rd、Rb3分别累积增加106.3倍、43.0倍和32.2倍
- Rb1、Rb2、Rc分别增加15.2倍、14.2倍和17.9倍。PCA分析中PC1解释75.2%的方差。大多数PPD型人参皂苷在48h后开始累积。
研究结论
通过转录组与代谢组联合分析，鉴定出11个与PPD型人参皂苷生物合成相关的候选UGTs，其中8个为新发现的UGTs。这些UGTs可能参与人参皂苷糖基链的延伸，尤其对PPD型人参皂苷的合成至关重要。未来需进一步功能表征以确定其底物特异性。