Transcriptome and metabolite analyses reveal the complex metabolic genes involved in volatile terpenoid biosynthesis in garden sage (Salvia officinalis)
- 作者
- Mohammed Ali, Penghui Li, Guangbiao She, Daofu Chen, Xiaochun Wan, Jian Zhao
- 杂志
- Scientific Reports（2017）
- DOI
- 10.1038/s41598-017-15478-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鼠尾草（Salvia officinalis）富含挥发性萜类化合物，但其萜类生物合成通路的分子遗传基础几乎未知，关键代谢基因尚未被系统鉴定和功能验证。
研究策略
利用Illumina HiSeq 2000对鼠尾草叶片进行转录组测序和从头组装，结合GC-MS对幼叶、老叶和茎三个组织部位进行代谢组分析，通过KEGG等数据库注释萜类代谢相关unigenes，并用qRT-PCR验证基因表达，进一步在转基因烟草中异源表达5个萜烯合酶基因以验证其功能。
核心内容
该研究对鼠尾草叶片进行转录组测序与代谢组分析，以解析其挥发性萜类生物合成的分子基础。通过Illumina HiSeq 2000测序获得6.6 Gb数据并组装出48,671条unigenes，结合GC-MS在幼叶、老叶和茎中共鉴定236种植物化学物。代谢分析显示幼叶以单萜为主（占66.64%），其中1,8-cineole含量最高达41.20%，而茎则以倍半萜为主。研究系统鉴定出135个参与萜类代谢的unigenes，包括70个MVA/MEP途径骨架合成基因和65个萜烯合酶基因。通过qRT-PCR验证了关键基因表达，并将5个萜烯合酶基因（SoNEOD、SoCINS、SoSABS、SoLINS、SoTPS6）异源表达于转基因烟草中，多数转基因株系萜类产量较野生型显著增加。该工作建立了鼠尾草萜类生物合成的基因-代谢物关联网络，为后续通过代谢工程手段改良鼠尾草萜类化合物产量提供了重要的基因资源和功能验证依据。
创新点
建立了鼠尾草叶片转录组数据库，系统鉴定出135个参与萜类代谢的unigenes，包括70个MVA/MEP/萜类骨架合成基因和65个萜烯合酶基因；首次在转基因烟草中表达多个鼠尾草萜烯合酶基因并观察到萜类产量提高；结合转录组与代谢组数据揭示了萜类在不同组织中的积累规律。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia officinalis (鼠尾草) | MEP途径 | SoDXS4 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | FPKM=186.68，参与萜类前体生物合成 |
| Salvia officinalis (鼠尾草) | MVA途径 | SoHMGR4 | 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | FPKM=220.78，MVA途径关键限速酶 |
| Salvia officinalis (鼠尾草) | 单萜生物合成 | SoGPS | 香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | FPKM=20.23，在幼叶中高表达 |
| Salvia officinalis (鼠尾草) | 倍半萜/三萜前体合成 | SoFPPS2 | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | FPKM=281.11，表达丰度很高 |
| Salvia officinalis (鼠尾草) | 二萜前体合成 | SoGGPSII10 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶II型 | 催化 | FPKM=49.23 |
| Nicotiana tabacum (转基因烟草) | 单萜生物合成 | SoCINS | 1,8-桉叶素合酶 | 催化 | FPKM=335.99，在转基因烟草中异源表达并提高萜类产量 |
| Nicotiana tabacum (转基因烟草) | 单萜生物合成 | SoSABS | (+)-桧烯合酶 | 催化 | 在转基因烟草中验证功能 |
| Nicotiana tabacum (转基因烟草) | 单萜生物合成 | SoLINS | (3S)-芳樟醇合酶 | 催化 | 在转基因烟草中验证功能 |
| Nicotiana tabacum (转基因烟草) | 倍半萜生物合成 | SoTPS6 | (-)-大牻牛儿烯D合酶 | 催化 | FPKM=39.5，在转基因烟草中验证功能 |
| Nicotiana tabacum (转基因烟草) | 单萜生物合成 | SoNEOD | (+)-新薄荷醇脱氢酶 | 催化 | 在转基因烟草中验证功能 |
关键发现
- 转录组测序获得6.6 Gb原始数据，21,487,871条reads，98,521,170个高质量碱基，Q20为95.90%，Q30为91.69%，GC含量48.73%；组装得到88,554条transcripts（N50=1,793 bp）和48,671条unigenes（N50=1,485 bp）。GC-MS共鉴定236种植物化学物，其中幼叶113种（占89.29%）、老叶108种（占91.54%）、茎82种（占85.27%）。幼叶以单萜为主（66.64%），老叶单萜52.7%，茎以倍半萜为主（23%）。主要成分：幼叶中1,8-cineole占41.20%，β-caryophyllene
- 01%，camphor
- 27%，β-pinene
- 23%；老叶1,8-cineole
- 93%，camphor
- 52%，sugiol
- 80%；茎中sugiol
- 89%，1,8-cineole
- 37%。关键基因FPKM：SoGPS
- 23，SoFPPS2
- 11，SoGGPSII10
- 23。5个萜烯合酶（SoNEOD、SoCINS、SoSABS、SoLINS、SoTPS6）在转基因烟草中表达后，多数转基因株系萜类产量较野生型增加。
研究结论
鼠尾草叶片转录组和代谢组联合分析揭示了挥发性萜类生物合成的复杂基因网络，鉴定了多个关键合成酶基因，并通过转基因烟草验证了功能，为鼠尾草萜类化合物的代谢工程改造奠定了基础。