Comparative transcriptome analysis of different tissues of Hylomecon japonica provides new insights into the biosynthesis pathway of triterpenoid saponins
- 作者
- Bing He, Teng Xu, Shaowei Xu, Huqiang Fang, Qingshan Yang
- 单位
- College of Pharmacy, Anhui University of Chinese Medicine; Key Laboratory of Xin'an Medicine, Ministry of Education, Anhui University of Chinese Medicine
- 杂志
- Frontiers in Bioinformatics（2025）
- DOI
- 10.3389/fbinf.2025.1625145
- 所属领域
- 植物代谢工程与转录组学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明荷青花（Hylomecon japonica）三萜皂苷的生物合成途径及其关键酶基因，为通过遗传/代谢工程提高三萜皂苷产量奠定基础
研究策略
利用DNA纳米球测序(DNB-seq)技术对荷青花的叶、根、茎进行转录组测序，从头组装获得unigenes，进行功能注释、差异表达分析和KEGG富集，鉴定三萜皂苷生物合成途径的关键酶基因与转录因子，并对鲨烯合酶进行结构建模和系统发育分析
核心内容
本研究利用DNB-seq技术对荷青花（Hylomecon japonica）的叶、根、茎进行了转录组测序，首次构建了该物种的转录组数据库。组装获得99,404个unigenes，平均长度1595 bp，N50为2335 bp，其中79.46%的unigenes获得功能注释。通过KEGG富集分析，鉴定出49个编码11个三萜皂苷生物合成关键酶的unigenes，并发现9个参与萜类和聚酮类代谢的转录因子。对各组织表达模式的分析显示，HMGR、MVK、IDI、DXS、FPPS在根中高表达，而GPPS、DXR、MDS、SQLE在叶中高表达，β-AS在叶中表达最低。对鲨烯合酶进行结构建模发现其开放阅读框长1278 bp，编码425个氨基酸，与博落回和罂粟的SS同源性分别为93.01%和90.48%。差异表达分析共鉴定出叶与根间31,222个、叶与茎间14,602个、茎与根间10,294个DEGs。这些结果系统揭示了荷青花三萜皂苷生物合成途径的关键酶基因及其组织特异性表达规律，为后续基因功能验证及利用代谢工程提高三萜皂苷产量奠定了重要基础。
创新点
['首次对荷青花叶、根、茎进行转录组测序并构建转录组数据库', '鉴定出11个三萜皂苷生物合成关键酶及49个相关unigenes', '发现9个参与萜类和聚酮类代谢的转录因子', '建立了荷青花鲨烯合酶的空间结构模型']
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/MVA途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | EC 1.1.1.34，10个unigenes，根中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/MVA途径 | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | EC 2.7.1.36，3个unigenes，根中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | EC 2.2.1.7，4个unigenes，根中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | EC 1.1.1.267，3个unigenes，叶中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/MEP途径 | MDS | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | EC 4.6.1.12，2个unigenes，叶中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/IPP/DMAPP代谢 | IDI | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | EC 5.3.3.2，8个unigenes，根中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/萜类骨架合成 | GPPS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | EC 2.5.1.1，4个unigenes，叶中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/萜类骨架合成 | FPPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | EC 2.5.1.10，6个unigenes，根中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/三萜骨架合成 | SS | 鲨烯合酶（squalene synthase） | 催化 | EC 2.5.1.21，2个unigenes；CL5764.Contig6 ORF 1278 bp，编码425个氨基酸，含6个保守基序和4个酶活性位点 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/三萜骨架合成 | SQLE | 鲨烯单加氧酶（squalene monooxygenase） | 催化 | EC 1.14.14.17，5个unigenes，叶中高表达 |
| Hylomecon japonica | 三萜皂苷生物合成途径/三萜骨架修饰 | β-AS | β-香树脂合酶 | 催化 | EC 5.4.99.39，2个unigenes，叶中表达最低 |
| Hylomecon japonica | 萜类和聚酮类代谢 | CL3296.Contig9 (bHLH) | bHLH转录因子 | 调控 | 主要富集于萜类骨架生物合成，与三萜皂苷途径密切相关 |
| Hylomecon japonica | 萜类和聚酮类代谢 | FHA家族（4个） | FHA转录因子 | 调控 | 参与萜类和聚酮类代谢 |
| Hylomecon japonica | 萜类和聚酮类代谢 | ABI3VP1家族（3个） | ABI3/VP1转录因子 | 调控 | 参与萜类和聚酮类代谢 |
| Hylomecon japonica | 萜类和聚酮类代谢 | MYB家族（1个） | MYB转录因子 | 调控 | 参与萜类和聚酮类代谢 |
关键发现
- 共获得99,404个unigenes，平均长度1595 bp，N50为2335 bp，GC含量39.43%
- 78,989个unigenes被至少一个数据库注释（占79.46%）
- 49个unigenes编码11个关键酶
- 发现9个转录因子参与萜类和聚酮类代谢
- 鲨烯合酶CL5764.Contig6开放阅读框长1278 bp，编码425个氨基酸，与Macleaya cordata的SS同源性为93.01%，与Papaver somniferum的SS同源性为90.48%
- HMGR、MVK、IDI、DXS、FPPS在根中高表达，GPPS、DXR、MDS、SQLE在叶中高表达，β-AS在叶中表达最低
- 差异表达分析发现叶与根间31,222个DEGs，叶与茎间14,602个DEGs，茎与根间10,294个DEGs
研究结论
本研究成功构建了荷青花的转录组数据库，系统鉴定了三萜皂苷生物合成相关的关键酶基因和转录因子，揭示了不同组织中的表达模式，为后续基因功能研究和利用代谢工程提高三萜皂苷产量提供了重要基础和新的见解