Contents of therapeutic metabolites in Swertia chirayita correlate with the expression profiles of multiple genes in corresponding biosynthesis pathways
- 作者
- Jibesh Kumar Padhan, Varun Kumar, Hemant Sood, Tiratha Raj Singh, Rajinder S. Chauhan
- 单位
- Department of Biotechnology and Bioinformatics, Jaypee University of Information Technology, Waknaghat 173234, Solan, Himachal Pradesh, India
- 杂志
- Phytochemistry（2015）
- DOI
- 10.1016/j.phytochem.2015.05.007
- 所属领域
- 植物代谢工程 / 次生代谢
- 关键词
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解决的核心问题
濒危药用植物Swertia chirayita中主要治疗性代谢物（swertiamarin、amarogentin和mangiferin）的生物合成途径及其调控基因未知，需要鉴定与代谢物积累相关的关键基因。
研究策略
通过HPLC测定不同组织中的代谢物含量，利用qRT-PCR分析24个secoiridoid和15个mangiferin生物合成相关基因的表达谱，结合主成分分析（PCA）筛选与代谢物含量相关的候选基因。
核心内容
该研究以濒危药用植物獐牙菜为对象，系统解析了其主要治疗性代谢物裂环环烯醚萜苷类和芒果苷的生物合成调控机制。通过HPLC检测不同组织中獐牙菜苦苷、獐牙菜苷和芒果苷的含量，并利用qRT-PCR分析39个相关生物合成基因的表达谱。结果显示，根中獐牙菜苦苷含量高达2.8%鲜重，较茎高出57倍，而芒果苷在花中含量最高达1.0%鲜重；相应组织中多个通路基因的表达水平与代谢物积累呈显著正相关，其中DL7H、IS等在根中的表达倍数可达273倍和105倍。通过主成分分析，作者鉴定出10个与裂环环烯醚萜积累密切相关的关键基因，包括HMGR、PMK、MVK、GES、G10H、8HGO、IS和7DLGT，以及5个与芒果苷生物合成相关的候选基因EPSPS、PAL、ADT、CM和CS。这些发现明确了代谢物积累与多基因协同表达的内在关联，为后续通过代谢工程或分子育种手段提高獐牙菜中有效成分含量提供了明确的作用靶点，对缓解该珍稀药源植物的资源压力具有重要意义。
创新点
首次在S. chirayita中系统分析三种主要代谢物生物合成途径基因的表达谱，并关联不同组织中的代谢物含量，鉴定出10个secoiridoid和5个mangiferin生物合成的关键候选基因。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（MVA途径） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | GHR中表达上调3倍，参与甲羟戊酸途径，PCA显示为关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（MVA途径） | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | GHR中表达57倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（MVA途径） | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | GHR中表达27倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（MEP途径） | ISPD | 2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | GHR中表达102倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（MEP途径） | ISPE | 4-(胞苷5'-二磷酸)-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | GHR中表达6倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（单萜部分） | GES | 香叶醇合酶 | 催化 | GHR中表达24倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（单萜部分） | G10H | 香叶醇10-羟化酶 | 催化 | GHR中表达19倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（单萜部分） | 8HGO | 8-羟基香叶醇氧化还原酶 | 催化 | GHR中表达20倍，GHL中35倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（环烯醚萜部分） | IS | 环烯醚萜合酶 | 催化 | GHR中表达105倍，GHL中22倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（裂环部分） | 7DLGT | 7-脱氧马钱苷酸葡萄糖基转移酶 | 催化 | GHR中表达8倍，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 芒果苷生物合成途径（莽草酸/苯丙烷途径） | EPSPS | 5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶 | 催化 | GHL中约117倍，GHF和GHR中显著上调，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 芒果苷生物合成途径（苯丙烷途径） | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | GHR和GHL中表达上调，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 芒果苷生物合成途径（苯丙烷途径） | ADT | 预苯酸脱水酶 | 催化 | GHR和GHL中表达上调，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 芒果苷生物合成途径（莽草酸途径） | CM | 分支酸变位酶 | 催化 | GHR和GHL中表达上调，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 芒果苷生物合成途径（莽草酸途径） | CS | 分支酸合酶 | 催化 | GHR和GHL中表达上调，PCA关键基因。 |
| Swertia chirayita | 裂环环烯醚萜生物合成途径（环烯醚萜部分） | DL7H | 7-脱氧马钱苷酸羟化酶 | 催化 | GHR中表达273倍，是所有基因中最高，但在PCA中未列为关键基因。 |
关键发现
- GHR中swertiamarin含量为2.8% fr. wt，amarogentin为0.1% fr. wt，分别比TCR高57倍和10倍
- GHF中mangiferin含量最高为1.0% fr. wt（比GHR高49倍）。GHR中secoiridoid通路基因表达倍数：DL7H 273倍、IS 105倍、ISPD 102倍、PMK 57倍、LMT 30倍、MVK 27倍、GES 24倍、8HGO 20倍、G10H 19倍、GDPS 15倍、ISPH 12倍、7DLGT 8倍、ISPE 6倍、HMGR 3倍
- GHL中EPSPS表达约117倍。PCA揭示10个secoiridoid关键基因（HMGR, PMK, MVK, ISPD, ISPE, GES, G10H, 8HGO, IS, 7DLGT）和5个mangiferin关键基因（EPSPS, PAL, ADT, CM, CS）。
研究结论
S. chirayita中secoiridoids和mangiferin的积累与多个生物合成基因的表达呈正相关，鉴定出HMGR、PMK、MVK、ISPD、ISPE、GES、G10H、8HGO、IS、7DLGT以及EPSPS、PAL、ADT、CM、CS等关键基因，可作为遗传改良的靶点。