De Novo Characterization of a Cephalotaxus hainanensis Transcriptome and Genes Related to Paclitaxel Biosynthesis
- 作者
- Fei Qiao, Hanqing Cong, Xuefei Jiang, Rongxiang Wang, Junmei Yin, Dan Qian, Zhunian Wang, Peter Nick
- 单位
- Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement in Southern China, Ministry of Agriculture/Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences; Key Laboratory of Protection and Development Utilization of Tropical Crop Germplasm Resources (Hainan University), Ministry of Education/College of Horticulture and Landscape Architecture, Hainan University; Molecular Cell Biology, Botanical Institute, Karlsruhe Institute of Technology
- 杂志
- PLoS ONE（2014）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0106900
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
海南粗榧（Cephalotaxus hainanensis）是一种濒危植物，含有多种抗癌活性代谢物，但缺乏分子信息，其生物碱代谢途径尚未表征，限制了通过代谢工程开发利用其药用次生代谢物。
研究策略
采用Illumina RNA-Seq高通量测序技术，对海南粗榧叶片进行转录组测序，利用Trinity软件进行从头组装，并对unigenes进行功能注释；以紫杉醇生物合成途径为验证对象，通过同源搜索预测相关基因，并用HPLC检测叶片中的紫杉醇及其前体baccatin III，同时用MeJA处理观察诱导效应。
核心内容
本研究对濒危药用植物海南粗榧的叶片进行了Illumina RNA-Seq高通量转录组测序，并通过Trinity软件从头组装，构建了该物种首个全面的转录组数据库。测序获得约5140万条读长，组装出39,416条unigenes，总长约43 Mb，平均长度1089.78 bp，其中预测到25,731个含开放阅读框的基因，使Cephalotaxaceae科可利用的序列信息增加了50倍以上。在功能注释基础上，研究以紫杉醇生物合成途径为验证对象，通过同源搜索预测到紫杉二烯合酶、紫杉烷10β-羟化酶、香叶基香叶基焦磷酸合酶等关键酶基因。HPLC检测证实该物种叶片中含有紫杉醇（24.35 μg/g鲜重）及其前体baccatin III（17.81 μg/g鲜重）。用1 μM茉莉酸甲酯处理后，紫杉醇含量在1天内达到峰值，较基础水平提高约60%，而baccatin III水平基本不变，表明该通路可被茉莉酸甲酯信号快速激活。这些结果证明海南粗榧中存在功能性的紫杉醇生物合成途径，所建立的转录组资源为后续通过代谢工程或细胞工程调控其次生代谢、提高紫杉醇等抗癌化合物产量奠定了重要基础。
创新点
首次为海南粗榧构建了全面的从头组装转录组数据库，使Cephalotaxaceae科可用的序列信息增加了50倍以上；通过功能注释预测并实验验证了紫杉醇生物合成途径在该物种中的存在，发现MeJA可快速诱导紫杉醇积累。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 1782 | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 与Taxus canadensis的GGPP合酶同源性93% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 2312 | taxane 10-beta-hydroxylase (cytochrome P450 725A1) | 催化 | 与Taxus wallichiana var. chinensis同源性81% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 3857 | geranylgeranyl diphosphate synthase 6 | 催化 | 与Picea abies同源性91% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 5165 | phenylalanine aminomutase | 催化 | 与Taxus wallichiana var. chinensis同源性86% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 7490 | taxadiene 5-alpha hydroxylase | 催化 | 与Taxus cuspidata同源性79% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 8229 | geranylgeranyl diphosphate synthase 5 | 催化 | 与Picea abies同源性84% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 13420 | taxadiene synthase | 催化 | 与Taxus brevifolia同源性78% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 13597 | taxadiene synthase | 催化 | 与Taxus baccata同源性82% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 13862 | taxadiene 5-alpha hydroxylase | 催化 | 与Taxus wallichiana var. chinensis同源性86% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 16282 | 13-alpha-hydroxylase | 催化 | 与Taxus wallichiana var. chinensis同源性79% |
| Cephalotaxus hainanensis | 紫杉醇生物合成 | 16379 | 13-alpha-hydroxylase | 催化 | 与Taxus wallichiana var. chinensis同源性81% |
关键发现
- 测序获得51,442,422条短序列读长（总计5,195,684,622个核苷酸），从头组装得到39,416条unigenes，平均长度1,089.78 bp，总组装大小42,954,608 bp（约45.8 Mbp），最大unigene为8,604 bp，最小为351 bp
- 共预测到25,731个含ORF的基因。在海南粗榧叶片中检测到紫杉醇含量为24.35 μg/g鲜重（相当于0.0096%干重），baccatin III含量为17.81 μg/g鲜重（相当于0.004%干重）。用1 μM MeJA处理后，紫杉醇含量在1天内达到峰值，比基础水平显著提高约60%（P<0.001），而baccatin III水平基本保持恒定。
研究结论
该研究为海南粗榧提供了首个全面的转录组信息资源，证明其中存在功能性紫杉醇生物合成途径，且该途径可被茉莉酸甲酯信号激活。这一资源为后续通过基因工程或细胞工程调控海南粗榧次生代谢、提高紫杉醇等贵重抗癌化合物的产量奠定了基础。