Analysis of the Rehmannia chingii genome identifies RcCYP72H7 as an epoxidase in iridoid glycoside biosynthesis
- 作者
- Fengqing Wang, Zhennan Jiang, Junge Gao, Chunyan Miao, Ci Song, Yahe Yang, Ning Ding, Yajing Li, Hongzheng Sun, Caixia Xie, Bao Zhang, Pengyu Zhang, Li Gu, Qiuwen Hao, Zhongyi Zhang, Luqi Huang, Yuan Yuan
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-60909-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
地黄（Rehmannia chingii）缺乏高质量参考基因组，且催化桃叶珊瑚苷（aucubin）环氧化生成梓醇（catalpol）的关键环氧化酶尚未明确，阻碍了对环烯醚萜苷生物合成途径的解析和地黄属功能基因组学研究。
研究策略
结合Illumina、PacBio HiFi、ONT和Hi-C测序技术组装R. chingii的T2T无缺口基因组；通过比较基因组学、系统发育和转录组分析解析基因组进化与环烯醚萜苷生物合成基因表达模式；利用异源表达（酿酒酵母、本氏烟草）和瞬时过表达验证候选P450基因的催化功能。
核心内容
本研究组装了地黄（Rehmannia chingii）的1.169 Gb端粒到端粒（T2T）无缺口基因组，contig N50达82.2 Mb，BUSCO完整性为99.07%，LAI为22.22，是地黄属首个高质量参考基因组。系统发育分析支持Rehmannia属于列当科，并与R. glutinosa约在10.08百万年前分化。转录组分析表明MEP途径和环烯醚萜苷生物合成结构基因主要在叶片高表达。通过全基因组分析鉴定了8号染色体上的CYP72A家族P450基因簇，并首次证实其中RcCYP72H7具有环氧化酶活性，可催化桃叶珊瑚苷（aucubin）C7-C8位环氧化生成梓醇（catalpol），LC-MS/MS在RT=2.93 min、m/z=380处确认产物。在本氏烟草中瞬时表达RcCYP72H7能产生catalpol，在地黄叶片中瞬时过表达该基因使catalpol含量提高55.07%。此外，RcG10H在酿酒酵母中表达可将香叶醇转化为10-羟基香叶醇（m/z=170.13）。该研究不仅提供了地黄属的T2T参考基因组，还扩展了CYP72家族的功能认知，为环烯醚萜苷生物合成途径解析和地黄药用成分的合成生物学研究奠定了基础。
创新点
1. 首次获得地黄（Rehmannia chingii）的1.169 Gb端粒到端粒（T2T）无缺口基因组，contig N50达82.2 Mb；2. 发现8号染色体上CYP72A家族P450基因簇；3. 首次鉴定CYP72家族成员RcCYP72H7具有环氧化酶活性，催化aucubin C7-C8位环氧化生成catalpol，扩展了CYP72家族的功能认知。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rehmannia chingii (地黄) | MEP途径 | DXS/DXR/MCS/CMK/HDS/HDR等9个基因 | — | 催化 | 在叶片中高表达，参与环烯醚萜苷前体合成 |
| Rehmannia chingii (地黄) | 环烯醚萜苷途径 | GPPS/GES/G10H/10HGO/IS/IO等12个基因 | — | 催化 | 在叶片中高表达，与MEP通路表达模式一致 |
| Saccharomyces cerevisiae WAT11 (酿酒酵母) | 环烯醚萜苷途径 | RcG10H (Rch13d0510) | 香叶醇10-羟化酶 | 催化 | 催化香叶醇转化为10-羟基香叶醇，GC-MS确认m/z=170.13 |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 环烯醚萜苷途径 | RcCYP72H7 | 桃叶珊瑚苷环氧化酶（RcCS） | 催化 | 催化aucubin C7-C8位环氧化生成catalpol；LC-MS/MS RT=2.93 min，m/z=380 |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 三萜/甾醇途径 | RcSQM (Rch08d0024) | 鲨烯单加氧酶 | 催化 | 实验表明不参与aucubin环氧化生成catalpol |
| Rehmannia chingii (地黄)叶片 | 环烯醚萜苷途径 | RcCYP72H7 | RcCYP72H7 | 催化 | 瞬时过表达使catalpol含量提高55.07% |
关键发现
- 组装获得R. chingii的1.169 Gb T2T无缺口基因组，contig N50为82.2 Mb，BUSCO完整性99.07%，LAI 22.22
- 系统发育分析支持Rehmannia属于列当科（Orobanchaceae），与R. glutinosa约10.08 MYA分化
- 发现MEP和iridoid通路结构基因主要在叶片中高表达
- 鉴定了8号染色体上的P450基因簇，其中RcCYP72H7催化aucubin环氧化生成catalpol（LC-MS/MS证实，RT=2.93 min，m/z=380）
- 在本氏烟草中瞬时表达RcCYP72H7可产生catalpol
- 地黄叶片中瞬时过表达RcCYP72H7使catalpol含量提高55.07%
- RcG10H在酿酒酵母中表达可将香叶醇转化为10-羟基香叶醇（GC-MS确认m/z=170.13）。
研究结论
本研究提供了R. chingii的高质量T2T参考基因组，证实Rehmannia属于列当科，并通过功能基因组学鉴定RcCYP72H7为催化aucubin生成catalpol的环氧化酶，揭示了CYP72家族在环烯醚萜苷生物合成中的新功能，为地黄属遗传改良和药用活性成分的合成生物学研究奠定了基础。