Transcriptome profiling reveals specific patterns of paclitaxel synthesis in a new Taxus yunnanensis cultivar
- 作者
- Chun-Tao He, Zhi-Liang Li, Qian Zhou, Chuang Shen, Ying-Ying Huang, Samavia Mubeena, Jun-Zhi Yang, Jian-Gang Yuan, Zhong-Yi Yang
- 单位
- State Key Laboratory for Biocontrol, School of Life Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China; Meizhou ZhongTian Medicinal Research Institute, Meizhou 514021, China; School of Life Sciences, Xiamen University, Xiamen 361005, China; College of Pharmacy, University of Arizona 85721, USA
- 杂志
- Plant Physiology and Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1016/j.plaphy.2017.10.028
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
云南红豆杉新栽培品种ZD1针叶中紫杉醇和10-脱乙酰巴卡亭III（10-DABIII）含量显著高于野生型（WT），但其分子机制尚不清楚。
研究策略
对ZD1和WT的针叶、枝条和根进行转录组测序，比较紫杉醇生物合成通路基因及转录因子的差异表达，并结合代谢物含量测定与相关性分析，揭示高含量积累的调控机制。
核心内容
本研究以高含量紫杉醇的云南红豆杉新品种ZD1为对象，对其针叶、枝条和根进行转录组测序，与野生型比较，解析紫杉醇高积累的分子机制。代谢测定显示，ZD1针叶中紫杉醇平均含量为0.041%（干重），约为野生型的4倍；10-DABIII含量达0.82%，约为野生型的34倍。差异表达分析将101个紫杉醇生物合成相关基因归入10个功能基因，其中ts和t13oh表达上调最显著，在ZD1中分别较野生型高4.3-24倍和5.6-442倍，其余功能基因在针叶、枝条和根中分别高约6-12倍、2-7倍和3-4倍。ZD1中合成基因呈组织特异性高表达，针叶表达水平与根相当而明显高于枝条。植物激素信号通路中ABA、乙烯和茉莉酸相关基因在ZD1中表达下调，R2R3-MYB和ERF等转录因子家族在野生型中表达量显著更高，且多个差异转录因子（BHLH、WRKY、JAMYC、ERF）与紫杉醇合成基因表达呈显著负相关。结果表明ZD1的高积累主要源于合成基因尤其是ts和t13oh的组织特异性上调，激素信号减弱导致转录因子表达下调，这些转录因子可能负调控紫杉醇合成基因，从而促进紫杉醇积累。
创新点
首次基于具有高含量紫杉醇和10-DABIII的云南红豆杉新品种ZD1的转录组图谱，揭示了紫杉醇合成基因的组织特异性表达模式，并提出转录因子对紫杉醇生物合成可能具有负调控作用。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | ts | taxadiene synthase | 催化 | 紫杉二烯合酶，催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸环化形成紫杉二烯，ZD1中表达量显著高于WT |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | t13oh | taxane 13-alpha-hydroxylase | 催化 | 紫杉烷13α-羟化酶，ZD1针叶中表达量较WT高5.6-442倍 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | dbt | 10-deacetylbaccatin III 10-O-acetyltransferase | 催化 | 催化10-DABIII生成巴卡亭III，可能为限速步骤 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | tm10bh | 5-alpha-taxadienol-10-beta-hydroxylase | 催化 | 紫杉二烯醇10β-羟化酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | bapt | baccatin III 3-amino-3-phenylpropanoyl transferase | 催化 | 巴卡亭III 3-氨基-3-苯丙酰转移酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | dbnbt | C13-side-chain N-benzoyltransferase | 催化 | C13侧链N-苯甲酰转移酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | tat | taxadiene-5-alpha-ol O-acetyltransferase | 催化 | 紫杉二烯-5α-醇O-乙酰转移酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | tbt | taxane 2-alpha-O-benzoyltransferase | 催化 | 紫杉烷2α-O-苯甲酰转移酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | t50h | taxadiene 5-alpha-hydroxylase | 催化 | 紫杉二烯5α-羟化酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成 | t140h | taxane 14-beta-hydroxylase | 催化 | 紫杉烷14β-羟化酶 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成调控 | BHLH family | basic helix-loop-helix transcription factor | 调控 | 其中4个差异表达的BHLH转录因子与紫杉醇合成基因显著负相关 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成调控 | WRKY family | WRKY transcription factor | 调控 | 12个差异表达WRKY中5个与紫杉醇合成基因显著负相关 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成调控 | JAMYC family | JAMYC transcription factor | 调控 | 2个JAMYC转录因子与紫杉醇合成基因显著负相关 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成调控 | ERF family | ethylene-responsive factor | 调控 | 2个ERF转录因子与紫杉醇合成基因显著负相关 |
| Taxus yunnanensis (云南红豆杉) 品种ZD1 | 紫杉醇生物合成调控 | R2R3-MYB family | R2R3-MYB transcription factor | 调控 | WT中表达量显著高于ZD1，可能作为负调控因子 |
关键发现
- ZD1针叶中紫杉醇平均含量为0.041%（干重），为WT（0.01%）的4倍
- 10-DABIII平均含量为0.82%，约为WT（0.025%）的34倍。紫杉醇生物合成通路中101个DEGs被分配到10个功能基因，其中ts和t13oh在ZD1中表达量较WT分别高4.3-24倍和5.6-442倍。其他功能基因在针叶、枝条、根中的表达量分别高约6-12倍、2-7倍和3-4倍。ZD1中紫杉醇合成基因在针叶中的表达水平与根相当，而明显高于枝条。植物激素信号通路中ABA、乙烯和茉莉酸相关基因在ZD1中表达降低
- R2R3-MYB家族转录因子在WT中的表达量为ZD1的4.8-10.7倍（针叶）、2.1-9.8倍（根）和4.3-5.1倍（枝条）
- ERF家族为5.5-7.3倍（针叶）、2.2-34.3倍（根）和1.3-6.0倍（枝条）。多个差异转录因子（BHLH、WRKY、JAMYC、ERF）与紫杉醇合成基因表达显著负相关。
研究结论
ZD1针叶中紫杉醇和10-DABIII的高积累主要归因于紫杉醇生物合成基因的组织特异性高表达，尤其是ts和t13oh。植物激素信号转导的减弱导致多个转录因子家族表达下调，这些转录因子可能以负调控方式影响紫杉醇合成基因的表达，从而促进ZD1中紫杉醇和10-DABIII的积累。