Comprehensive identification of terpene synthase genes and organ-dependent accumulation of terpenoid volatiles in a traditional medicinal plant Angelica archangelica L.
- 作者
- Miki Suenaga-Hiromori, Daisuke Mogi, Yohei Kikuchi, Jiali Tong, Naotsugu Kurisu, Yuichi Aoki, Hiroyuki Amano, Masahiro Furutani, Takefumi Shimoyama, Toshiyuki Waki, Toru Nakayama, Seiji Takahashi
- 单位
- Graduate School of Engineering, Tohoku University; Department of Integrative Genomics, Tohoku Medical Megabank Organization; R&D Center, Seikusi Chemical Co. Ltd.
- 杂志
- Plant Biotechnology（2022）
- DOI
- 10.5511/plantbiotechnology.22.1006a
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
欧白芷（Angelica archangelica）产生大量且多样化的萜类化合物，但其萜烯合酶（TPS）基因尚未被鉴定，导致其萜类化学多样性的分子机制不明。本研究旨在系统性鉴定TPS基因并揭示其与器官特异性萜类积累的关系。
研究策略
对叶片、主根和干种子进行转录组测序与从头组装，鉴定推定TPS基因并构建系统发育树；通过密码子优化和异源表达于大肠杆菌进行体内酶活测定（系统A/B）；使用GC-MS分析花、未成熟/成熟种子、叶片和主根的萜类挥发物组成；结合转录组表达量（FPKM）和酶活结果讨论TPS与萜类化学多样性的关系。
核心内容
本研究对传统药用植物欧白芷的叶片、主根和干种子进行转录组测序与从头组装，获得273,968条unigenes，系统鉴定出11个萜烯合酶基因（AaTPS1–AaTPS11），其中9个经密码子优化后在大肠杆菌中异源表达并验证了催化活性。酶活测定显示，AaTPS2主要产生α-水芹烯和β-水芹烯（摩尔比约2:1），AaTPS3和AaTPS4以α-蒎烯为主，AaTPS5在生成倍半萜β-没药烯的同时保留微弱单萜合酶活性，提示其可能由单萜合酶祖先演化而来，AaTPS6–AaTPS10则专一产生倍半萜。GC-MS分析在花、种子、叶片和根中鉴定出13种单萜和14种倍半萜，且呈明显器官特异性：β-水芹烯在成熟和未成熟种子总萜类中分别占71%和73%，α-蒎烯在根和花中占55%和35%，β-月桂烯在叶片中占25%但在种子中仅约1.5%。这些结果首次绘制了非胁迫条件下欧白芷各器官的萜类挥发物图谱，证实上述TPS基因至少部分解释了该植物萜类化学多样性的分子基础，为后续研究萜类生理功能、胁迫响应及TPS催化机制奠定了关键基础。
创新点
首次在欧白芷中系统鉴定11个TPS基因并功能表征其中9个；发现TPS-b分支的AaTPS5同时具有强倍半萜合酶和弱单萜合酶活性，提示其可能从单萜合酶祖先演化而来；构建增强IPP供给的大肠杆菌系统实现AaTPS10的功能表达；首次报道非胁迫条件下欧白芷不同器官的萜类挥发物图谱。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜类生物合成（单萜） | AaTPS1 | AaTPS1蛋白 | 催化 | 预测为hemiTPS，但未检测到异戊二烯合成活性 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（单萜） | AaTPS2 | AaTPS2蛋白 | 催化 | 主要产物α-水芹烯和β-水芹烯（摩尔比约2:1） |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（单萜） | AaTPS3 | AaTPS3蛋白 | 催化 | 主要产物α-蒎烯 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（单萜） | AaTPS4 | AaTPS4蛋白 | 催化 | 主要产物α-蒎烯和β-月桂烯 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜为主） | AaTPS5 | AaTPS5蛋白 | 催化 | 属TPS-b分支，显示强倍半萜合酶活性（主要产物β-没药烯）和弱单萜合酶活性 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | AaTPS6 | AaTPS6蛋白 | 催化 | 产生倍半萜类产物 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | AaTPS7 | AaTPS7蛋白 | 催化 | 产生倍半萜类产物 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | AaTPS8 | AaTPS8蛋白 | 催化 | 主要产物germacrene D和α-蛇麻烯 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | AaTPS9 | AaTPS9蛋白 | 催化 | 产生倍半萜类产物 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | AaTPS10 | AaTPS10蛋白 | 催化 | 异源表达依赖增强IPP供给系统 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（二萜相关） | AaTPS11 | AaTPS11蛋白 | 催化 | 属于TPS-e/f簇，未检测到TPS活性 |
| Escherichia coli | 萜类前体供给（GPP合成） | Rv0989c | GPP合酶（来自结核分枝杆菌） | 催化 | 用于提供单萜底物GPP |
| Escherichia coli | 萜类前体供给（甲羟戊酸途径） | ScIDI | 异戊烯基焦磷酸异构酶（来自酿酒酵母） | 催化 | 用于增强IPP供给 |
关键发现
- 转录组经de novo组装获得273,968条unigenes，鉴定出11个TPS同源基因（AaTPS1-AaTPS11）。其中9个重组酶（AaTPS2-AaTPS10）显示出TPS活性：AaTPS2产生α-水芹烯和β-水芹烯（摩尔比约2:1）
- AaTPS3和AaTPS4产生α-蒎烯作为主要产物，AaTPS4还产生β-月桂烯
- AaTPS5主要产生β-没药烯（倍半萜），同时有微弱单萜活性
- AaTPS6-10产生倍半萜，其中AaTPS8产生germacrene D和α-蛇麻烯
- AaTPS1和AaTPS11未检测到活性。GC-MS在欧白芷各器官中共鉴定出13种单萜和14种倍半萜。成熟种子单萜积累量最高，β-水芹烯占成熟种子总萜类的71%、未成熟种子的73%
- α-蒎烯在根和花中分别占55%和35%
- β-月桂烯在叶、花、根中分别占25%、25%、8.6%，在成熟和未成熟种子中仅占1.5%-1.7%。倍半萜在成熟种子中最丰富，以germacrene D和α-蛇麻烯为主。
研究结论
本研究全面鉴定了欧白芷的11个TPS基因，功能表征了其中9个，并绘制了各器官的萜类挥发物分布图。结果表明这些TPS至少部分负责该植物萜类化合物的化学多样性；并首次报道了非胁迫状态下欧白芷组织的萜类组成。研究为后续探索萜类生理功能、环境胁迫响应以及TPS催化特异性提供了重要基础。