Time-series transcriptome analysis reveals the cascade mechanism of biological processes following the perturbation of the MVA pathway in Salvia miltiorrhiza
- 作者
- Fang Liu, Nan Li, Zhu-Yun Yan, Xin Chen
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2025）
- DOI
- 10.1007/s11103-024-01547-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析甲羟戊酸(MVA)途径受扰动后，丹参中其他生物学过程如何协同响应的分子机制，及转录因子在此过程中的调控枢纽作用。
研究策略
使用HMGR特异性抑制剂洛伐他汀(LOV)处理丹参克隆幼苗，进行时间序列转录组分析（2-12小时每小时取样），构建基因共表达网络(GCN)和基因调控网络(GRN)，结合功能富集分析揭示生物学过程的时序变化及关键调控因子。
研究路线图
核心内容
该研究以HMGR特异性抑制剂洛伐他汀处理丹参克隆幼苗，通过2至12小时逐小时取样的时间序列转录组分析，解析了甲羟戊酸（MVA）途径受扰动后丹参生物学过程的级联响应机制。共鉴定出各时间点差异表达基因748至1661个，以及79个差异表达转录因子，隶属19个家族，其中AP2/ERF家族最多。WGCNA分析确定了116个共表达模块，其中steelblue和salmon模块与HMGR浓度显著相关，并在细胞质溶酶体基因调控模块中发现SmWRKY48-SmTCP4-SmWRKY28构成调控枢纽，靶向丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、氨基酸代谢及泛醌和其他萜类醌生物合成等通路。研究发现该扰动对生物学过程的影响具有时间依赖性：早期主要影响生长发育，后期主要影响胁迫响应，且SmWRKY28对LOV响应最明显，变异系数达0.396。该结果揭示了MVA途径扰动通过特定转录因子枢纽整合多条代谢途径的级联调控机制，为丹参萜类代谢工程改造提供了新靶点。
创新点
揭示了MVA途径扰动对丹参生物学过程影响的时序性特征，并鉴定了SmWRKY48-SmTCP4-SmWRKY28转录因子调控枢纽，该枢纽整合了丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、氨基酸代谢及泛醌和其他萜类醌生物合成等多种途径。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia miltiorrhiza | 甲羟戊酸(MVA)途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | LOV的靶酶，催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸 |
| Salvia miltiorrhiza | 丙酮酸代谢 | SmWRKY48 | WRKY转录因子48 | 调控 | 细胞质溶酶体GRN枢纽成员，LOV特异性响应因子(CV=0.306) |
| Salvia miltiorrhiza | 糖酵解/糖异生 | SmTCP4 | TCP转录因子4 | 调控 | 与SmWRKY48和SmWRKY28组成调控枢纽，但非LOV特异性响应(CV=0.174) |
| Salvia miltiorrhiza | 泛醌和其他萜类醌生物合成 | SmWRKY28 | WRKY转录因子28 | 调控 | LOV最明显响应因子，CV=0.396 |
| Salvia miltiorrhiza | 氨基酸代谢 | SmAGL16 | MADS-box转录因子AGL16 | 调控 | 线粒体基因调控模块枢纽，CV=0.348 |
关键发现
- LOV处理后，各时间点(2、4、6、8、10、12h)分别鉴定出748、228、239、434、887和1661个差异表达基因(DEGs)
- 共鉴定79个差异表达转录因子，隶属19个家族，其中AP2/ERF家族最多(16个)
- WGCNA确定了116个共表达模块，其中steelblue和salmon模块与HMGR浓度显著相关
- 在细胞质溶酶体基因调控模块中，SmWRKY48-SmTCP4-SmWRKY28构成调控枢纽，靶向丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、氨基酸代谢及泛醌和其他萜类醌生物合成等通路
- SmWRKY28对LOV响应最明显，变异系数(CV)为0.396，SmAGL16为0.348，SmERF1A.1为0.333，SmWRKY48为0.306。
研究结论
丹参MVA途径扰动对生物学过程的影响具有时间依赖性：早期(2-6h)主要影响生长和发育相关过程，后期(8-12h)主要影响胁迫响应相关过程；萜类生物合成途径受影响顺序与其在KEGG图中的拓扑位置相关；SmWRKY48-SmTCP4-SmWRKY28作为调控枢纽整合多条代谢途径，是丹参响应MVA途径扰动的潜在分子机制。