De novo transcriptome sequencing of Momordica cochinchinensis to identify genes involved in the carotenoid biosynthesis
- 作者
- Tae Kyung Hyun, Yeonggil Rim, Hui-Jeong Jang, Cheol Hong Kim, Jongsun Park, Ritesh Kumar, Sunghoon Lee, Byung Chul Kim, Jong Bhak, Binh Nguyen-Quoc, Seon-Won Kim, Sang Yeol Lee, Jae-Yean Kim
- 单位
- Division of Applied Life Science (BK21-WCU Program), Plant Molecular Biology and Biotechnology Research Center, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea; Theragen Bio Institute, Suwon 443-766, Korea; Biotechnology Center of Hochiminh City, Hochiminh City, Vietnam
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2012）
- DOI
- 10.1007/s11103-012-9919-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
缺乏杷（Momordica cochinchinensis）的基因组信息，导致无法鉴定其参与类胡萝卜素生物合成的基因
研究策略
利用Illumina HiSeq 2000对杷果假种皮进行转录组深测序，进行de novo组装与功能注释；通过数字基因表达（DGE）分析不同成熟阶段的转录水平变化，并结合HPLC测定类胡萝卜素含量，鉴定关键生物合成基因
核心内容
针对缺乏杷果（Momordica cochinchinensis）基因组信息、无法鉴定其类胡萝卜素生物合成相关基因的问题，该研究利用Illumina HiSeq 2000对杷果假种皮进行de novo转录组深测序。共获得51,466,670条高质量reads，组装出81,404个unigenes（平均长度388 bp，N50为450 bp），其中与黄瓜蛋白组的相似性达81.47%，KEGG注释了17,104个unigenes。通过功能注释，鉴定了80个编码36个参与萜类骨架和类胡萝卜素合成推定酶的unigenes，覆盖了甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径的全部关键酶。结合HPLC与数字基因表达分析，发现番茄红素含量在成熟阶段从17.6 μg/g鲜重升至111.98 μg/g（阶段2），且LcyE基因的下调与β-胡萝卜素在阶段3的显著积累相关，PSY、PDS、ZDS、CRTISO等也被确定为调控类胡萝卜素积累的关键因子。该研究为无参考基因组的杷果提供了丰富转录组资源，鉴定了类胡萝卜素生物合成的核心基因，为通过代谢工程改良植物类胡萝卜素含量奠定了基础。
创新点
首次对无参考基因组的杷果假种皮进行de novo转录组测序，建立大型基因数据库；鉴定了所有已知的萜类骨架和类胡萝卜素生物合成相关酶基因；通过DGE分析揭示PSY、PDS、ZDS、CRTISO和LcyE等为调控类胡萝卜素积累的关键因子
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | ACAT | 乙酰辅酶A C-乙酰转移酶 | 催化 | unigene数：4 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | MVA | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | HMG | 羟甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | unigene数：9 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | unigene数：7 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | unigene数：4 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲羟戊酸途径 | MVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | DXPS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | unigene数：3 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | ISPD | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | CDPMEK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | unigene数：4 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | ISPF | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | HDS | (E)-4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | unigene数：5 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway） | HDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | unigene数：3 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | IPP | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | unigene数：5 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | GPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | unigene数：2 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | GGPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | unigene数：7 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | unigene数：3 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 15-顺式八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | unigene数：5 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | unigene数：1 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | unigene数：3 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | LcyE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | unigene数：1 |
| Momordica cochinchinensis (gac) | 类胡萝卜素生物合成 | LcyB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | unigene数：2 |
关键发现
- 获得51,466,670条高质量reads，组装出81,404个unigenes（平均长度388 bp，N50 450 bp）
- 与黄瓜蛋白组相似性81.47%
- KEGG注释17,104个unigenes
- 鉴定了80个unigenes编码36个参与萜类骨架和类胡萝卜素合成的推定酶
- 番茄红素含量在成熟阶段从17.6 μg/g wet weight升至111.98 μg/g（阶段2），阶段3为110.47 μg/g，成熟番茄为75.24 μg/g
- β-胡萝卜素在阶段3显著积累
- DGE分析表明HMG、PDS、ZDS、CRTISO、LcyE等差异表达，其中LcyE的下调与β-胡萝卜素积累相关
研究结论
该研究提供了杷果假种皮丰富的转录组资源，鉴定了类胡萝卜素生物合成的关键基因，为利用代谢工程改良植物类胡萝卜素含量奠定了基础