Analysis genome of Pseudotaxus chienii reveals insights into the origin and evolution of taxane biosynthesis
- 作者
- Mingshuang Wang, Ruoyun Ma, Zijin Fang, Lingxiao Zhang, Yibo Zhang, Mengyin Zheng, Enhui Bai, Wanting Lin, Yanyan Pei, Yue Zang, Huijie Ma, Shangguo Feng, Xiaori Zhan, Chunna Yu, Shuling Wang, Huizhong Wang, Chenliang Yu, Chenjia Shen
- 单位
- College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, 311121, China; College of Pharmacy, Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, 311121, China; National Key Laboratory for Development and Utilization of Forest Food Resources, Zhejiang A&F University, Hangzhou, Zhejiang, 311300, China
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-67849-4
- 所属领域
- 合成生物学
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解决的核心问题
探究白豆杉（Pseudotaxus chienii）紫杉烷生物合成途径的起源与进化，阐明为何仅Taxus属能合成完整紫杉醇（Taxol）
研究策略
组装P. chienii染色体水平基因组，进行比较基因组、系统发育、代谢组、转录组及异源表达分析，解析紫杉烷途径的完整性和功能
核心内容
该研究首次组装了白豆杉（Pseudotaxus chienii）15.6 Gb的染色体水平基因组，包含12条假染色体，注释到35,404个蛋白编码基因，重复序列占86.12%，并揭示其LTR-RT扩增主要发生在约60至10百万年前。系统发育分析表明白豆杉与红豆杉属约在48.3百万年前分化。比较基因组和代谢组分析显示，白豆杉基因组中缺少TBT和TOT1/CYP1基因，其紫杉烷途径止于taxusin积累；异源表达PcTS1在烟草中成功产生taxadiene，而LC-MS/MS检测显示白豆杉枝条中taxusin含量是红豆杉的3.5倍，且MeJA处理24小时和48小时后taxusin分别提升4.7倍和4.4倍。该研究揭示了Taxus属获得功能性TBT是延伸出完整紫杉醇途径的关键进化事件，并证明TS蛋白金属离子催化位点在两属中保守，为紫杉醇生物合成的酶工程改造提供了潜在靶点。
创新点
首次组装白豆杉15.6 Gb染色体水平基因组；发现其仅含部分紫杉烷途径，缺少TBT和TOT1(CYP1)，导致taxusin积累；揭示Taxus属获得功能性TBT后实现完整Taxol途径；证明TS金属离子催化位点在两属中保守
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | PcTS1 | taxadiene synthase (TS) | 催化 | 催化GGPP环化生成taxa-4(5),11(12)-diene，异源表达在烟草中验证功能 |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | TBT | taxane 2α-O-benzoyl transferase | 催化 | P. chienii中缺失，催化10-去乙酰巴卡亭III合成的关键步骤 |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | TOT1/CYP1 | CYP725A55 | 催化 | 参与紫杉烷氧杂环丁烷形成，P. chienii中未检测到 |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | T2OH | taxane 2α-hydroxylase | 催化 | 功能与T. mairei类似，参与taxusin羟基化 |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | T7OH | taxane 7β-hydroxylase | 催化 | 功能与T. mairei类似，参与taxusin羟基化 |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成 | CYP725 clan genes | CYP450 | 催化 | 共62个CYP725基因，主要分布于Chr9和Chr11，参与紫杉醇生物合成氧化步骤 |
| Pseudotaxus chienii | MEP途径 | DxS, DXR, CMK, MDS, HDR, GGPPS | — | 催化 | 完整MEP途径为紫杉烷提供前体GGPP |
| Pseudotaxus chienii | 紫杉烷生物合成调控 | MYB12, MYB13, bHLH18, WRKY6 | 转录因子 | 调控 | MeJA响应，可能调控taxusin生物合成相关基因表达 |
| Nicotiana benthamiana | 紫杉烷生物合成 | PcTS1 | TS | 催化 | 异源表达验证产生taxadiene |
关键发现
- 本研究组装了白豆杉15.6 Gb染色体水平基因组（contig N50=65.6 Mb，GC含量35.2%，12条假染色体），注释35,404个蛋白编码基因。重复序列占86.12%，其中LTR-RT扩增发生在约60-10百万年前（MYA），峰值约23 MYA。系统发育分析表明白豆杉与红豆杉属约48.3 MYA分化。P. chienii基因组中缺少TBT和TOT1/CYP1基因，仅具有部分紫杉烷途径
- 异源表达PcTS1在烟草中产生taxadiene。LC-MS/MS显示taxusin在P. chienii枝条中含量是T. wallichiana的3.5倍
- MeJA处理24h和48h后taxusin分别提高4.7倍和4.4倍。此外，P. chienii中CYP725家族有62个基因，主要分布于Chr9和Chr11。
研究结论
P. chienii的紫杉烷途径止于taxusin积累，缺少功能性TBT是关键限速步骤；Taxus属在进化中获得TBT，从而延伸出完整的Taxol生物合成途径。TS蛋白的金属离子催化位点在Pseudotaxus和Taxus中保守，为酶工程改造提高TS活性提供潜在靶点。