The Genome of Ganderma lucidum Provide Insights into Triterpense Biosynthesis and Wood Degradation
- 作者
- Dongbo Liu, Jing Gong, Wenkui Dai, Xincong Kang, Zhuo Huang, Hong-Mei Zhang, Wei Liu, Le Liu, Junping Ma, Zhilan Xia, Yuxin Chen, Yuewen Chen, Depeng Wang, Peixiang Ni, An-Yuan Guo, Xingyao Xiong
- 单位
- Hunan Agicultural Universty, Changsha, Hunan, China; State Key Laboratory of Sub-health Intrvention Technology, Changsha, Hunan, China; Hubei Bioinfomatics and Molecular Imaging Key Laboratory, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, China; Beijing Genome Institute (BGI-Shenzhen), Shenzhen, Guangdong, China; Hunan Wanyuan Bio-tech Co., Ltd., Changsha, Hunan, China; Nextomics Biosciences Co., Ltd., Wuhan, Hubei, China; School of Bioscience and Bioengineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong, China; Key Laboratory for Crop Germplasm Innovation and Utilization of Hunan Province, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan, China
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0036146
- 所属领域
- 基因组学与代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析灵芝的基因组序列，揭示灵芝酸三萜类生物合成途径和木材降解（木质纤维素降解）相关的基因与机制
研究策略
采用全基因组鸟枪法测序并组装灵芝基因组，通过多种基因预测和功能注释方法，结合比较基因组学分析（KEGG、COG、P450、GST、CAZymes、FOLymes等），系统鉴定灵芝酸生物合成和木材降解相关基因
研究路线图
核心内容
该研究采用全基因组鸟枪法测序并组装了药用真菌灵芝的基因组，首次报道了其39.9 Mb的基因组草图，包含634个scaffold，N50为322,982 bp，GC含量55.56%，共预测出12,080个蛋白质编码基因。通过KEGG、COG等比较基因组学分析，系统解析了灵芝酸三萜生物合成途径，证实该途径仅依赖甲羟戊酸（MVA）途径而非MEP途径，并鉴定出从乙酰辅酶A到羊毛甾醇共14步反应的全部酶基因，包括222个候选P450基因和6个UDP-糖基转移酶基因。值得注意的是，发现了一个担子菌特有的metC-MVK融合基因，其N端类似胱硫醚β-裂解酶、C端类似甲羟戊酸激酶。在木材降解方面，鉴定到349个CAZyme基因和48个FOLyme木质素氧化酶基因，包括16个漆酶和7个过氧化物酶等，并发现灵芝含有39个谷胱甘肽S-转移酶基因和96个含HET结构域的基因，均为已分析真菌中数目最多。该基因组解析为理解灵芝酸的生物合成调控和木材降解机制奠定了重要基础，也为灵芝活性成分及生物能源的工程化生产提供了基因资源。
创新点
首次报道灵芝基因组草图和全面注释；发现担子菌特有的metC-MVK融合基因；系统表征了灵芝酸三萜生物合成途径的全部酶基因；鉴定了丰富的P450、GST及木质素降解酶基因
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | AACT (G_lucidum_10003032) | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | EC 2.3.1.9, K00626 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | HMGS (G_lucidum_10008701) | HMG-CoA合酶 | 催化 | EC 2.3.3.10, K01641 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | HMGR (G_lucidum_10003589) | HMG-CoA还原酶 | 催化 | EC 1.1.1.34, K00021，经典限速酶 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | MVK/metC-MVK (G_lucidum_10009892) | 甲羟戊酸激酶（融合蛋白） | 催化 | C端为MVK (EC 2.7.1.36, K00869)，N端类似胱硫醚β-裂解酶；担子菌特有融合基因 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | MPK (G_lucidum_10010135) | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | EC 2.7.4.2, K00938 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | MVD (G_lucidum_10005090) | 焦磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | EC 4.1.1.33, K01597 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | IDI (G_lucidum_10001705) | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | EC 5.3.3.2, K01823 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | GPPs/FPPs (G_lucidum_10002724, G_lucidum_10008471, G_lucidum_10004225) | 牻牛儿基二磷酸合酶/法尼基二磷酸合酶 | 催化 | EC 2.5.1.1/2.5.1.10, K00787/K00804 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | SQS (G_lucidum_10005172) | 角鲨烯合酶 | 催化 | EC 2.5.1.21, K00801 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | SE (G_lucidum_10007072) | 角鲨烯单加氧酶 | 催化 | EC 1.14.99.7, K00511 |
| Ganoderma lucidum | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 三萜骨架生物合成 | OSC (G_lucidum_10008645, G_lucidum_10008646) | 2,3-氧化角鲨烯-羊毛甾醇环化酶 | 催化 | EC 5.4.99.7, K01852 |
| Ganoderma lucidum | 灵芝酸生物合成 | P450 (222个候选基因) | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 参与灵芝酸的后修饰（氧化/羟基化），其中21个与已知三萜皂苷合成P450相似 |
| Ganoderma lucidum | 灵芝酸生物合成 | UGT (6个候选基因，如G_lucidum_10009504) | UDP-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 参与灵芝酸糖基化修饰；G_lucidum_10009504与蒺藜苜蓿UGT73K1高度相似 |
| Ganoderma lucidum | 木质素降解 | LO1（laccase，16个基因） | 漆酶 | 催化 | FOLyme LO1家族，参与木质素降解及色素合成等 |
| Ganoderma lucidum | 木质素降解 | LO2（peroxidase，7个基因） | 木质素过氧化物酶/锰过氧化物酶/多功能过氧化物酶 | 催化 | 其中2个位于scaffold 10、3个位于scaffold 79，可能形成基因簇 |
| Ganoderma lucidum | 木质素降解 | LO3（cellobiose dehydrogenase，1个基因） | 纤维二糖脱氢酶 | 催化 | FOLyme LO3家族 |
| Ganoderma lucidum | 木质素降解 | LDA1（10个基因） | 芳基醇氧化酶 | 催化 | 可能参与漆酶氧化产物的还原 |
| Ganoderma lucidum | 木质素降解 | LDA3（9个基因） | 乙二醛氧化酶 | 催化 | 与过氧化物酶协同产生H2O2 |
| Ganoderma lucidum | 外源物降解/解毒代谢 | GST（39个基因，含Omega亚家族18个） | 谷胱甘肽S-转移酶 | 催化 | EC 2.5.1.18，参与外源物解毒 |
关键发现
- 灵芝基因组草图为39.9 Mb，组装成634个scaffold，N50为322,982 bp，GC含量55.56%，预测编码12,080个蛋白质编码基因，约83%与公共数据库序列相似
- 重复序列占5.07%（转座子约4.6%）。灵芝酸的生物合成仅通过甲羟戊酸（MVA）途径，不存在MEP途径
- 鉴定出14步途径中的所有酶基因，包括222个候选P450基因（其中21个与已知皂苷合成P450相似）和6个候选UDP-糖基转移酶（UGT）基因。发现一个担子菌特有的metC-MVK融合基因（平均长度约886 aa），其N端类似胱硫醚β-裂解酶、C端类似甲羟戊酸激酶。木材降解方面，鉴定到349个CAZyme基因（含216个糖苷水解酶GH、56个糖基转移酶GT、40个碳水化合物酯酶CE），以及48个FOLyme木质素氧化酶基因（含16个漆酶、7个过氧化物酶、1个纤维二糖脱氢酶、10个芳基醇氧化酶、9个乙二醛氧化酶）。此外，灵芝含有39个谷胱甘肽S-转移酶（GST）基因（其中Omega亚家族18个）和96个含HET结构域的基因，均为已分析真菌中最多。
研究结论
灵芝基因组序列和注释为解析其药用机制（灵芝酸生物合成）和木材降解机制提供了重要基础，为活性成分和生物能源的生产工程化研究提供依据。