Oxylipin biosynthetic gene families of Cannabis sativa
- 作者
- Eli J. Borrego, Mariah Robertson, James Taylor, Zachary Schultzhaus, Elida M. Espinoza
- 单位
- Rochester Institute of Technology, Thomas H. Gosnell School of Life Sciences, Rochester, NY, USA; Department of Plant Pathology and Microbiology, Texas A&M University, College Station, TX, USA; Independent Researcher, Fort Washington, MD, USA; EnviroFlight, Apex, NC, USA
- 杂志
- PLoS ONE（2023）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0272893
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
首次系统鉴定大麻(Cannabis sativa)中氧脂素生物合成基因家族(LOX、AOS、AOC、HPL、OPR)，并探讨其与大麻素生物合成前体己酸供应的潜在联系
研究策略
基于基因组学的生物信息学分析：BLASTP同源搜索、保守结构域分析、系统发育构建、基因共线性分析、启动子顺式元件分析和加权基因共表达网络(WGCNA)分析
核心内容
该研究首次在大麻基因组中系统鉴定了氧脂素生物合成基因家族，通过BLASTP同源搜索、保守结构域分析、系统发育构建、基因共线性分析、启动子顺式元件分析和加权基因共表达网络等生物信息学手段，全面解析了这些基因的家族组成、染色体分布、进化关系和表达调控。研究共鉴定出21个LOX、5个AOS、3个AOC、1个HPL和5个OPR基因，其中多个LOX基因以基因簇形式分布于2号和9号染色体，OPR基因家族除CsOPR5外均聚集在1号染色体113 kb区域。表达分析显示CsLOX4在根和毛状体中表达量最高，比其他组织高一个数量级，CsLOX9和CsLOX10在根中的表达量高出其他组织20倍；在9个栽培品种的毛状体中，CsHPL的表达量比CYP74家族其他成员高2至10倍。WGCNA分析发现11个氧脂素基因分布于7个模块，且与已知大麻素生物合成基因存在共表达关系，提示氧脂素途径可能为大麻素合成提供前体己酸。这一发现为大麻作物的遗传改良和大麻素代谢工程提供了重要的候选基因靶点和理论基础。
创新点
['首次在大麻中进行氧脂素生物合成基因的全基因组鉴定', '发现多个基因簇和跨物种共线性', '揭示氧脂素基因与大麻素生物合成基因共表达的证据', '提出氧脂素途径可能为大麻素合成提供己酸底物的假说']
研究对象（35）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX1 | CsLOX1 | 催化 | 9-LOX，与AtLOX1同源 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX2 | CsLOX2 | 催化 | 9-LOX，与AtLOX1及番茄SILOX5共线 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX3 | CsLOX3 | 催化 | 9-LOX，与AtLOX5同源 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX4 | CsLOX4 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支），在根和毛状体中高表达 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX5 | CsLOX5 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支） |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX6 | CsLOX6 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支） |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX7 | CsLOX7 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支） |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX8 | CsLOX8 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支） |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX9 | CsLOX9 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支），根中表达比其他组织高20倍 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX10 | CsLOX10 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支），根中表达比其他组织高20倍 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX11 | CsLOX11 | 催化 | 9-LOX（Cannabis特异分支） |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX12 | CsLOX12 | 催化 | 分类尚未确定，预测线粒体定位，基础表达极低 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX13 | CsLOX13 | 催化 | 13-LOX，与AtLOX6和番茄SILOX11共线 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX14 | CsLOX14 | 催化 | 13-LOX，与AtLOX3/4和番茄SILOX4/LOXD共线 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX15 | CsLOX15 | 催化 | 13-LOX，在栽培品种毛状体中高表达 |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX16 | CsLOX16 | 催化 | 13-LOX |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX17 | CsLOX17 | 催化 | 13-LOX，含有逆转座子插入结构域(RVT2和RNase H-like) |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX18 | CsLOX18 | 催化 | 13-LOX |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX19 | CsLOX19 | 催化 | 13-LOX |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX20 | CsLOX20 | 催化 | 13-LOX |
| Cannabis sativa | oxylipin biosynthesis (LOX pathway) | CsLOX21 | CsLOX21 | 催化 | 13-LOX |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOS) | CsAOS1 | CsAOS1 | 催化 | CYP74A亚家族，参与茉莉酸生物合成 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOS) | CsAOS2 | CsAOS2 | 催化 | CYP74C亚家族，与番茄DES共线 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOS) | CsAOS3 | CsAOS3 | 催化 | CYP74C亚家族 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOS) | CsAOS4 | CsAOS4 | 催化 | CYP74C亚家族 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOS) | CsAOS5 | CsAOS5 | 催化 | CYP74C亚家族 |
| Cannabis sativa | green leaf volatile biosynthesis (HPL) | CsHPL | CsHPL | 催化 | CYP74B亚家族，参与绿叶挥发物合成，在栽培品种毛状体中高表达 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOC) | CsAOC1 | CsAOC1 | 催化 | 预测位于质体外，启动子含分生组织表达元件 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOC) | CsAOC2 | CsAOC2 | 催化 | 预测定位质体，与番茄SlAOC共线，基础条件下主要表达 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (AOC) | CsAOC3 | CsAOC3 | 催化 | 预测定位质体，与AtAOC1和AtAOC4共线 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (OPR) | CsOPR1 | CsOPR1 | 催化 | Type I OPR，与AtOPR3同支，参与JA合成 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (OPR) | CsOPR2 | CsOPR2 | 催化 | Type I OPR，与AtOPR3同支，在花组织中表达较高 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (OPR) | CsOPR3 | CsOPR3 | 催化 | Type I OPR，基因模型可能为嵌合体 |
| Cannabis sativa | jasmonic acid biosynthesis (OPR) | CsOPR4 | CsOPR4 | 催化 | Type I OPR，与AtOPR3同支 |
| Cannabis sativa | oxylipin metabolism (OPR type II) | CsOPR5 | CsOPR5 | 催化 | Type II OPR，可能参与活性亲电物质解毒，在花和毛状体中高表达 |
关键发现
- ['在大麻基因组中鉴定出21个LOX、5个AOS、3个AOC、1个HPL和5个OPR氧脂素生物合成基因', 'LOX基因簇：CsLOX1,2,5,6,7位于2号染色体327 kb区域
- CsLOX15-21位于152 kb区域
- CsLOX8,10,11位于9号染色体74 kb区域', 'CsAOS2和5相距57 kb
- CsAOC1和2相距10 kb
- 除CsOPR5外，OPR基因家族均位于1号染色体113 kb区域', '表达分析显示CsLOX4在根和毛状体中表达最高，比其他组织高一个数量级
- CsLOX9和10在根中表达比其他组织高20倍', '在9个大麻栽培品种的毛状体中，CsHPL表达比CYP74家族其他成员高2-10倍', '加权基因共表达网络(WGCNA)分析显示11个氧脂素基因分布于7个模块，最大模块含1130-1852个基因，占基因模型总数的30%']
研究结论
本研究首次全面鉴定并系统分析了大麻氧脂素生物合成基因家族，揭示了其基因结构、进化关系、表达模式和调控网络，表明氧脂素途径可能为大麻素生物合成提供前体己酸，并为大麻作物的遗传改良和大麻素代谢工程提供了重要靶点和理论基础