Metabolomics integrated with transcriptomics reveals the distribution of iridoid and crocin metabolic flux in Gardenia jasminoides Ellis
- 作者
- Yuan Pan, Xiao Zhao, Yu Wang, Jun Tan, Da-xia Chen
- 单位
- Chongqing Academy of Chinese Materia Medica; Chongqing Engineering Research Center for Fine Variety Breeding Techniques of Chinese Materia Medica; Chongqing Subcenter of National Resource Center for Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Science
- 杂志
- PLoS ONE（2021）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0256802
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
栀子果实中环烯醚萜类和藏红花素类活性成分的完整生物合成通路尚不明确，且不同发育阶段和不同果实部位中这些代谢产物的分布及调控机制不清楚。
研究策略
采用广泛靶向代谢组学与RNA-Seq转录组学相结合，对绿果果皮（GFP）、绿果果肉（GFS）、红果果皮（FP）、红果果肉（FS）四组样品进行代谢物和基因表达谱分析，重建环烯醚萜和藏红花素生物合成通路并比较其代谢流分布。
核心内容
该研究整合广泛靶向代谢组学与RNA-Seq转录组学，对栀子绿果果皮、绿果果肉、红果果皮、红果果肉四组样品进行系统分析，旨在解析环烯醚萜类和藏红花素类活性成分的合成通路及其分布规律。共检测到254种次生代谢物，组装出52,658条unigenes。代谢组数据显示藏红花素I、II、III在红果中离子丰度高于绿果且果皮略高于果肉，而geniposide主要积累于绿果果肉。转录组分析发现关键基因差异表达显著，其中CCD-2在红果皮中的表达量是绿果皮的146.83倍，与CCD4a同源性达99.79%。综合DEGs与DAMs分析表明，geniposide与crocin的生物合成呈负相关关系，二者代谢流在不同发育阶段和部位间发生重定向。该研究首次在栀子果实中完整重建了环烯醚萜和藏红花素合成通路，并提出果肉至果皮可能存在前体物质转运机制，为栀子功能基因组研究及活性成分代谢工程改良提供了重要理论基础。
创新点
首次在栀子果实中整合转录组和代谢组数据全面解析环烯醚萜和藏红花素合成的完整通路；提出果肉到果皮可能存在前体物质转运机制；发现geniposide与crocin生物合成之间存在负相关关系。
研究对象（25）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MEP pathway | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 三个unigenes编码，DXS-1在绿果果肉高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MEP pathway | DXR | 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate reductoisomerase | 催化 | DXR-1在绿果果肉高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MEP pathway | HDR | 4-hydroxy-3-methyl-2-(E)-butenyl diphosphate reductase | 催化 | HDR-1在绿果果肉相对高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MEP pathway | GPPS | geranyl diphosphate synthase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MEP pathway | GGPPS | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MVA pathway | HMGS | 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA synthase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MVA pathway | HMGR | 3-hydroxy-3-methyl glutaryl CoA reductase | 催化 | HMGR-1、HMGR-3表达模式不同 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MVA pathway | MK | mevalonate kinase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MVA pathway | FPPS | farnesyl diphosphate synthase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | MVA pathway | SS | squalene synthase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid pathway | GES | geraniol synthase | 催化 | GES-1在绿果果肉高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid pathway | G10H | geraniol 10-hydroxylase | 催化 | G10H-1在红果果皮高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid pathway | G8O | 8-hydroxygeraniol dehydrogenase | 催化 | G8O-1、G8O-2在绿果果肉高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid pathway | 10-HGO | 10-hydroxygeraniol oxidoreductase | 催化 | 10-HGO-1在绿果果肉极高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid pathway | IS | iridoid synthase | 催化 | IS-1在绿果果肉高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | PSY | phytoene synthase | 催化 | PSY-1在红果高表达，果皮高于果肉 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | PDS | phytoene desaturase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | Z-ISO | zeta-carotene isomerase | 催化 | Z-ISO-1在红果果皮高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | ZDS | zeta-carotene desaturase | 催化 | ZDS-1在红果高表达 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | CRTISO | carotenoid isomerase | 催化 | 四组间表达无显著差异 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | carotenoid pathway | LCYB | lycopene cyclase | 催化 | 四组间表达无显著差异 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | crocin pathway | CCD | carotenoid cleavage dioxygenase | 催化 | CCD-2在红果果皮FPKM为绿果皮146.83倍、绿果肉313.4倍 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | crocin pathway | ALDH | aldehyde dehydrogenase | 催化 | ALDH-1/2/3与ALDH12高度同源 |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | crocin pathway | NCED | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase | 催化 | — |
| Gardenia jasminoides Ellis (栀子) | iridoid/crocin pathway | UGT | glucosyltransferase | 催化 | UGT-4与UGT60同源性99.93%，参与藏红花素和环烯醚萜糖基化 |
关键发现
- 共检测到254种次生代谢物，包括39种萜类、73种黄酮、95种酚酸、16种木脂素和香豆素、12种生物碱、6种鞣质和13种其他代谢物。FS vs FP间有85个DAMs（26下调、59上调），GFS vs GFP间76个（30下调、46上调），GFS vs FS间68个（54下调、14上调），GFP vs FP间73个（50下调、23上调）。转录组获得675 million clean reads（101.2 GB），组装出52,658条unigenes，N50=3,215 bp，N90=642 bp。DEGs数量：FS vs FP为2,351，GFS vs GFP为4,095，GFS vs FS为5,137，GFP vs FP为5,357。CCD-2在红果皮中的FPKM值是绿果皮的146.83倍、绿果肉的313.4倍
- CCD-1和CCD-2与CCD4a（KY631925.1）同源性分别为84.64%和99.79%
- UGT-4与UGT60（KY631935.1）同源性99.93%
- ALDH-1、ALDH-2、ALDH-3与ALDH12（KY631926.1）同源性分别为100%、90.16%、82.41%。代谢组显示crocin-I、II、III在红果中离子丰度高于绿果，且果皮略高于果肉
- geniposide主要积累于绿果果肉（GFS），gardenoside主要积累于红果果肉（FS）。
研究结论
栀子果实中环烯醚萜和藏红花素生物合成的关键基因（DXS、DXR、GES、IS、G8O、CCDs、UGTs等）在不同发育阶段和部位差异表达，DEGs与DAMs分析表明geniposide和crocin的生物合成呈负相关，代谢流重定向和关键酶调控可能是导致活性成分变化的主要原因。研究为栀子功能基因组资源及次生代谢物代谢工程提供了新见解。