Deep Sequencing Reveals Transcriptome Re- Programming of Taxus × media Cells to the Elicitation with Methyl Jasmonate
- 作者
- Guiling Sun, Yanfang Yang, Fuliang Xie, Jian-Fan Wen, Jianqiang Wu, Iain W. Wilson, Qi Tang, Hongwei Liu, Deyou Qiu
- 单位
- Key Laboratory of Economic Plants and Biotechnology, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming, China; State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, The Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing, China; Department of Biology, East Carolina University, Greenville, North Carolina, United States of America; State Key Laboratory of Genetic Resources and Evolution, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Kunming, Yunnan, China; CSIRO Plant Industry, Canberra, Australian Capital Territory, Australia; Guangxi Botanical Garden of Medicinal Plant, Nanning, Guangxi, China
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0062865
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析甲基茉莉酸(MeJA)在红豆杉(Taxus × media)细胞中触发紫杉醇大量积累的全局转录调控机制，尤其是稳态生产期（MeJA处理7天）紫杉醇生物合成相关基因的表达变化。
研究策略
利用Illumina高通量测序对MeJA处理和未处理的Taxus × media细胞进行转录组测序，经de novo组装获得unique序列，通过RSEM和EdgeR进行差异表达分析，结合KEGG/GO/COG注释、qRT-PCR验证及miRNA靶标预测，解析MeJA调控网络。
研究路线图
核心内容
该研究利用Illumina高通量测序对甲基茉莉酸（MeJA）处理和未处理的Taxus × media细胞进行转录组分析，以解析MeJA促进紫杉醇积累的全局调控机制。研究通过de novo组装获得40,348条unique序列（N50=1,193 nt），差异表达分析显示6,748条unique序列（17%）表达变化≥2倍，其中282条变化≥4倍。系统鉴定了萜类骨架和紫杉醇生物合成的29个已知基因，其中18个受MeJA上调，如DXS上调36.1倍、GGPPS上调17.9倍，qRT-PCR验证了9个紫杉醇生物合成基因均上调。同时发现MeJA抑制细胞周期、DNA复制和错配修复相关基因的表达，解释了MeJA抑制细胞生长的机制，并鉴定到ABC转运蛋白、酯酶/水解酶等与紫杉醇转运/降解相关的候选差异表达基因。该研究首次对MeJA诱导紫杉醇稳态生产期的红豆杉细胞进行全局转录组分析，揭示了MeJA通过上调紫杉醇生物合成途径、下调生长相关基因来促进紫杉醇积累的转录重编程机制，为紫杉醇代谢工程改造提供了重要基因资源和靶点。
创新点
首次对MeJA诱导紫杉醇稳态生产期（处理后7天）的红豆杉细胞进行全局转录组分析；系统鉴定了萜类骨架和紫杉醇生物合成的全部29个已知基因，发现18个受MeJA上调；针对紫杉醇生物合成未知步骤提出了多个候选酶基因；整合miRNA靶标预测揭示miRNA在MeJA响应中的调控作用。
研究对象（35）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-10-磷酸合酶 | 催化 | 表达上调36.1倍（Contig237932） |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成 | GGPPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 表达上调17.9倍（Contig30899） |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | IDS | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 两个转录本上调6.8倍和5.2倍 |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 表达上调5.8倍 |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | MCS | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 表达上调5.3倍 |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | CMK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 表达上调4.9倍 |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MEP途径） | HDS | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | 表达上调4.8倍 |
| Taxus × media 细胞 | 萜类骨架生物合成（MVA途径） | AACT | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | 表达上调3.7倍 |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | TS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 表达上调17.2倍（247064） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | T5OH | 紫杉烷5α-羟化酶（细胞色素P450） | 催化 | 表达上调23.6倍（Contig19765） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | T7OH | 紫杉烷7β-羟化酶 | 催化 | 表达上调31.0倍（Contig32749） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | T10OH | 紫杉烷10β-羟化酶 | 催化 | 表达上调6.4倍（Contig30915） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | TBT | 紫杉烷2α-O-苯甲酰转移酶 | 催化 | 表达上调47.4倍（Contig29447） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | TAT | 紫杉二烯-5α-醇-O-乙酰转移酶 | 催化 | 表达上调22.2倍（Contig30864） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 | 催化 | 表达上调22.1倍（Contig20518） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | BAPT | 巴卡亭III 3-氨基-3-苯基丙酰转移酶 | 催化 | 表达上调14.9倍（240648） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBTNBT | 3'-N-去苯甲酰-2'-脱氧紫杉醇N-苯甲酰转移酶 | 催化 | 表达上调32.1倍（Contig28471） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇生物合成 | PAM | 苯丙氨酸氨基变位酶 | 催化 | 未获得全长unique序列，仅在MeJA诱导样品中发现短片段 |
| Taxus × media 细胞 | 茉莉酸生物合成 | LOX | 脂氧合酶 | 催化 | 转录本丰度上调 |
| Taxus × media 细胞 | 茉莉酸生物合成 | AOS | 丙二烯氧化物合酶 | 催化 | 转录本丰度上调 |
| Taxus × media 细胞 | 茉莉酸/MeJA代谢 | MJE | 茉莉酸甲酯酯酶 | 催化 | 表达上调约5倍（Contig11373） |
| Taxus × media 细胞 | 乙烯生物合成 | ACO | 1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶 | 催化 | Contig16235上调4倍，为高丰度转录本 |
| Taxus × media 细胞 | 乙烯生物合成 | ACS | 1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶 | 催化 | 未显示显著差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇转运 | ABC transporter | ABC转运蛋白 | 转运 | Contig20317上调2.8倍，6个下调 |
| Taxus × media 细胞 | 次生代谢物转运 | MATE | 多药及有毒化合物外排转运蛋白 | 转运 | 10个unique序列，无显著表达变化 |
| Taxus × media 细胞 | 表观遗传调控 | HD2 | HD2型组蛋白去乙酰化酶 | 调控 | 表达下调（120154，RNA-seq 0.8倍，qRT-PCR 0.4倍） |
| Taxus × media 细胞 | 表观遗传调控 | DNA methyltransferase | DNA甲基转移酶 | 调控 | 5个DNA甲基转移酶下调 |
| Taxus × media 细胞 | 基因表达调控 | bZIP转录因子 | bZIP转录因子 | 调控 | 多个成员差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 基因表达调控 | bHLH转录因子 | bHLH转录因子 | 调控 | 多个成员差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 基因表达调控 | WRKY转录因子 | WRKY转录因子 | 调控 | 多个成员差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 基因表达调控 | MYB转录因子 | MYB转录因子 | 调控 | 差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 基因表达调控 | AP2/ERF转录因子 | AP2/ERF结构域转录因子 | 调控 | 差异表达 |
| Taxus × media 细胞 | 细胞周期调控 | CCS52A | 细胞周期转换蛋白CCS52A | 调控 | RNA-seq上调4.9倍，qRT-PCR下调0.5倍（两者不一致） |
| Taxus × media 细胞 | 细胞周期/DNA修复 | RAD17 | 细胞周期检查点蛋白RAD17 | 调控 | 表达下调（114663，0.5倍） |
| Taxus × media 细胞 | 紫杉醇降解 | abH | α/β水解酶折叠蛋白 | 催化 | 表达下调（Contig17145，0.1倍） |
关键发现
- 通过测序获得共77,395,444条reads（5.8 Gb），质控后非诱导和MeJA诱导样品分别获得16,340,898和16,153,572条高质量reads
- de novo组装得到40,348条unique序列（N50=1,193 nt，平均长度684 nt）。差异表达分析显示6,748条unique序列（17%）表达变化≥2倍，其中282条变化≥4倍。萜类骨架生物合成的全部17个已知基因均被发现，其中8个基因的转录本上调（如DXS上调36.1倍，GGPPS上调17.9倍）
- 紫杉醇生物合成的12个已知基因中11个被鉴定到，其中18个基因（原文指29个萜类骨架+紫杉醇基因中18个上调）在MeJA诱导后转录本丰度增加
- qRT-PCR验证了9个紫杉醇生物合成基因均上调。此外发现MeJA抑制细胞周期、DNA复制、减数分裂和错配修复相关基因的表达，解释了MeJA抑制细胞生长的机制。ABC转运蛋白、酯酶/水解酶等与紫杉醇转运/降解相关的候选基因也呈现差异表达。
研究结论
MeJA通过重新编程红豆杉细胞转录组，上调紫杉醇生物合成途径及调控因子、下调生长相关基因，从而促进紫杉醇积累；本研究为阐明MeJA调控机制及紫杉醇代谢工程改造提供了重要基因资源和靶点。