Transcriptome Analysis of Catharanthus roseus for Gene Discovery and Expression Profiling
- 作者
- Mohit Verma, Rajesh Ghangal, Raghvendra Sharma, Alok K. Sinha, Mukesh Jain
- 单位
- Functional and Applied Genomics Laboratory, National Institute of Plant Genome Research, Aruna Asaf Ali Marg, New Delhi, India
- 杂志
- PLoS ONE（2014）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0103583
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用深度转录组测序解析长春花中萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径相关基因及其组织特异性表达，为植物源药物生产提供基因资源。
研究策略
对长春花叶、花、根组织进行Illumina深度测序，比较Velvet、Oases和ABySS不同k-mer参数进行两轮de novo组装，与已有转录组合并获得高质量转录组；通过功能注释、GO/KEGG分析、SSR和TF鉴定、RNA-seq差异表达分析揭示TIA途径基因表达模式，并用qRT-PCR验证。
核心内容
该研究对长春花叶、花和根组织进行深度转录组测序，生成约3.43亿条高质量reads，并通过Velvet、Oases和ABySS的多k-mer参数两轮de novo组装与合并，构建了包含59,220条unigenes的高质量参考转录组，平均长度1284 bp，N50达2115 bp。经功能注释，65%的转录本在公共数据库中有同源序列，其余35%可能为长春花特异序列。进一步分析鉴定出11,620个SSR标记和分属73个家族的1820个转录因子转录本。在TIA生物合成途径中，30个已知基因全部被检出，但仅约57%与拟南芥、73%与菊类植物在核苷酸水平显著相似。组织表达谱显示叶和根是双吲哚生物碱的主要合成组织，vindoline分支酶如tabersonine 16-羟化酶、脱乙酰氧基vindoline 4-羟化酶及脱乙酰vindoline 4-O-乙酰转移酶在根中显著下调，而tabersonine 19-羟化酶则在根中上调。MeJa处理可普遍提高TIA基因表达，qRT-PCR验证与RNA-seq结果相关系数为0.80。该研究提供了丰富的基因资源和组织特异性表达图谱，为解析TIA代谢调控网络及代谢工程改造生物碱生产奠定了基础。
创新点
（1）系统优化了长春花转录组de novo组装流程，采用两轮组装策略得到更完整的参考转录组；（2）鉴定出大量SSR标记和转录因子，为标记辅助育种和调控研究提供资源；（3）详细刻画了TIA生物合成基因在组织及MeJa处理下的表达谱，证实vindoline合成基因仅在地上组织表达。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | STR | strictosidine synthase | 催化 | 催化tryptamine和secologanin缩合生成strictosidine |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | GES | geraniol synthase | 催化 | 催化geranyl pyrophosphate生成geraniol，起始单萜分支 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | IS | iridoid synthase | 催化 | 参与secologanin生物合成中的还原环化 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | Cr_TC35206 | tabersonine 16-hydroxylase | 催化 | vindoline生物合成途径，根中显著下调 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | Cr_TC35622 | deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase | 催化 | vindoline生物合成末端反应，根中显著下调 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | Cr_TC04217 | tabersonine 19-hydroxylase | 催化 | 在根中上调，参与tabersonine侧链羟基化替代途径 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | D4H | desacetoxyvindoline 4-hydroxylase | 催化 | vindoline生物合成，根和毛状根中下调 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ORCA2 | octadecanoid-derivative responsive Catharanthus AP2-domain protein 2 | 调控 | AP2/ERF转录因子，激活TIA途径基因表达 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ORCA3 | octadecanoid-derivative responsive Catharanthus AP2-domain protein 3 | 调控 | AP2/ERF转录因子，激活TIA途径基因表达 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | WRKY1 | CrWRKY1 | 调控 | 正调控TIA生物合成 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | MYC2 | CrMYC2 | 调控 | bHLH转录因子，介导jasmonate响应并调控ORCA基因 |
| Catharanthus roseus (var. Prabal) | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ZCT1/ZCT2 | zinc finger DNA-binding protein 1 and 2 | 调控 | 锌指蛋白转录因子，参与TIA途径调控 |
关键发现
- 该研究共生成约3.43亿条高质量reads，经组装与合并后获得59,220条unigenes，平均长度1284 bp，N50为2115 bp
- 其中65%的转录本在公共数据库中有同源序列，35%可能为长春花特异。共鉴定出11,620个SSR（不包括单核苷酸重复）和1820个编码转录因子的转录本（分属73个家族）。在TIA途径中，30个已知基因全部在转录组中存在，但仅17个（约57%）与拟南芥、22个（约73%）与菊类植物在核苷酸水平有显著相似性。表达分析显示叶和根是双吲哚生物碱产生的主要组织，vindoline生物合成酶（如tabersonine 16-羟化酶、脱乙酰氧基vindoline 4-羟化酶、脱乙酰vindoline 4-O-乙酰转移酶）在根中显著下调，而tabersonine 19-羟化酶在根中上调。MeJa处理可提高TIA基因表达，qRT-PCR验证与RNA-seq结果相关系数为0.80。
研究结论
本研究构建了高质量的长春花参考转录组，为萜类吲哚生物碱生物合成相关基因发现和表达调控研究提供了丰富资源。TIA途径基因在叶和根中高表达，vindoline分支仅在地上组织合成，MeJa可诱导TIA基因表达。这些发现有助于理解植物特殊代谢调控网络，并为代谢工程改造生物碱生产奠定基础。