Deciphering triterpenoid saponin biosynthesis by leveraging transcriptome response to methyl jasmonate elicitation in Saponaria vaccaria
- 作者
- Xiaoyue Chen, Graham A. Hudson, Charlotte Mineo, Bashar Amer, Edward E. K. Baidoo, Samantha A. Crowe, Yuzhong Liu, Jay D. Keasling, Henrik V. Scheller
- 杂志
- Nature Communications（2023）
- DOI
- 10.1038/s41467-023-42877-0
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析Saponaria vaccaria中三萜类皂苷生物合成的氧化和糖基化步骤，并阐明UDP-D-岩藻糖生物合成途径
研究策略
利用MeJA诱导上调皂苷生物合成基因，结合PacBio全长转录组和Illumina表达谱筛选共表达基因，通过系统发育和异源表达（本氏烟草瞬时表达和酵母）鉴定酶功能
核心内容
该研究以石竹科植物Saponaria vaccaria为对象，通过甲基茉莉酸甲酯（MeJA）诱导结合PacBio全长转录组与Illumina表达谱，系统解析了三萜皂苷生物合成的氧化与糖基化步骤。研究鉴定了三萜氧化酶SvC28（CYP716A173）、SvC16（CYP716A379）、SvC23-1/2（CYP72A1130/1131）及糖基转移酶SvCsIG、SvGalT、SvC3XylT和SvC28FucT，并在本氏烟草瞬时表达和酵母中完成功能验证。值得注意的是，SvCsIG不仅能催化三萜苷元的葡糖醛酸基化，还可优先利用C23醛中间体改变P450酶的产物谱；SvCsIG对齐墩果酸和UDP-GlcA的KM分别为3.13 μM和65 μM。共表达实验显示，加入SvGalT后GA-C16-OH-C3-GlcA-Gal产量仅为QA-C3-GlcA-Gal的22.6%，进一步引入SvC3XylT后该产物降至4.9%，揭示了皂苷合成通路中底物选择的层级调控。此外，研究首次阐明植物中UDP-D-岩藻糖生物合成途径，Sv46DH和SvNMD共同表达可产生UDP-D-岩藻糖和UDP-L-鼠李糖。该工作为通过合成生物学手段在异源宿主中生产高价值三萜皂苷（如QS-21类似物）奠定了基础。
创新点
发现SvCsIG不仅能葡糖醛酸基化三萜苷元，还能通过优先利用C23醛中间体改变P450酶的产物谱；首次阐明植物中UDP-D-岩藻糖生物合成的两个关键酶
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saponaria vaccaria | 三萜皂苷生物合成 | SvBAS | β-amyrin synthase | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化生成β-amyrin，皂苷生物合成第一步 |
| Saponaria vaccaria; Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC28 | CYP716A173 | 催化 | 催化β-amyrin C28氧化生成oleanolic acid |
| Saponaria vaccaria; Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC16 | CYP716A379 | 催化 | 催化oleanolic acid C16α-羟基化生成echinocystic acid |
| Saponaria vaccaria; Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC23-1 | CYP72A1130 | 催化 | 催化oleanolic acid C23氧化生成gypsogenic acid |
| Saponaria vaccaria; Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC23-2 | CYP72A1131 | 催化 | 催化oleanolic acid C23氧化生成gypsogenic acid |
| Saponaria vaccaria; Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvCsIG | Cellulose synthase-like G | 催化 | C3位葡糖醛酸基转移酶，定位于ER，KM(QA)=3.13 μM, KM(UDP-GlcA)=65 μM |
| Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvGalT | UGT73DL2 | 催化 | 催化QA-3-GlcA的半乳糖基化生成QA-3-GlcA-Gal |
| Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC3XylT | UGT73CC10 | 催化 | 催化QA-3-GlcA-Gal的木糖基化生成QA-3-GlcA-Gal-Xyl |
| Nicotiana benthamiana | UDP-岩藻糖生物合成 | Sv46DH | UDP-葡萄糖4,6-脱水酶 | 催化 | 催化UDP-葡萄糖脱水生成UDP-4-酮-6-脱氧葡萄糖 |
| Nicotiana benthamiana | UDP-岩藻糖生物合成 | SvNMD | UDP-4-酮-6-脱氧葡萄糖还原酶 | 催化 | 催化UDP-4K6DG还原生成UDP-D-岩藻糖 |
| Nicotiana benthamiana; Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | SvC28FucT | UGT74CD2 | 催化 | 催化QA-3-GlcA C28位岩藻糖基化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | AtATR1 | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为P450氧化酶提供电子 |
关键发现
- 鉴定了三萜氧化酶SvC28 (CYP716A173)、SvC16 (CYP716A379)、SvC23-1/2 (CYP72A1130/1131)及糖基转移酶SvCsIG、SvGalT、SvC3XylT和SvC28FucT。SvCsIG对QA和UDP-GlcA的KM分别为3.13 μM和65 μM。共表达SvGalT后，GA-C16-OH-C3-GlcA-Gal产量为QA-C3-GlcA-Gal的22.6%
- 共表达SvGalT和SvC3XylT后，GA-C16-OH-C3-GlcA-Gal-Xyl仅为QA对应物的4.9%。Sv46DH和SvNMD共同表达可产生UDP-D-岩藻糖和UDP-L-鼠李糖。MeJA在100 μM处理24h时βAS表达上调最高。
研究结论
通过MeJA诱导的转录组策略，系统鉴定了S. vaccaria三萜皂苷生物合成中的关键氧化和糖基化酶，并首次揭示了UDP-D-岩藻糖的生物合成途径。研究结果为通过合成生物学手段在微生物和植物中生产及优化高价值三萜皂苷（如QS-21类似物）奠定了基础。