High-throughput sequencing and de novo transcriptome assembly of Swertia japonica to identify genes involved in the biosynthesis of therapeutic metabolites
- 作者
- Amit Rai, Michimi Nakamura, Hiroki Takahashi, Hideyuki Suzuki, Kazuki Saito, Mami Yamazaki
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University; Medical Mycology Research Center, Chiba University; Department of Research and Development, Kazusa DNA Research Institute
- 杂志
- Plant Cell Reports（2017）
- DOI
- 10.1007/s00299-016-2021-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Swertia japonica作为重要药用植物，缺乏基因组和转录组资源，其治疗性代谢产物（如獐牙菜苦苷、龙胆苦苷等）生物合成的分子基础不清楚。
研究策略
对根和地上组织进行Illumina HiSeq2000双端测序，利用Trinity、SOAPdenovo-Trans和CLC三种组装器进行de novo转录组组装并合并去冗余，进行功能注释、差异表达分析、GO和KEGG富集分析，鉴定与治疗性代谢物生物合成相关的候选基因和UDP-糖基转移酶。
核心内容
该研究对药用植物日本獐牙菜（Swertia japonica）的根和地上组织进行Illumina HiSeq2000双端测序，并采用Trinity、SOAPdenovo-Trans和CLC三种组装器分别进行de novo转录组组装后合并去冗余，最终获得约2.2 Gbp高质量clean reads，组装得到81,729条unigenes，平均长度884 bp，N50为1,452 bp，其中57.5%的unigenes获得NCBI nr功能注释。差异表达分析显示1,695个unigenes在地上组织上调、730个下调，并鉴定出17,992个SSR。通过KEGG和GO富集分析，在MEP和MVA途径分别找到15和17个候选酶基因，在裂环烯醚萜途径鉴定到32个关键酶基因，同时筛选出37个可能参与活性代谢物糖基化的上调UDP-糖基转移酶候选基因。该研究首次完成了日本獐牙菜的转录组组装与注释，系统揭示了獐牙菜苦苷、龙胆苦苷等治疗性代谢物生物合成通路的分子基础，为后续候选基因功能验证及该物种的代谢工程改造提供了重要基因资源和理论依据。
创新点
首次对Swertia属植物进行de novo转录组组装和注释；采用多组装器组合策略获得更完整的转录组；系统鉴定了参与MEP、MVA、裂环烯醚萜和芒果苷生物合成通路的候选酶编码基因；筛选出37个可能参与活性代谢物糖基化的上调UDP-糖基转移酶候选基因。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Swertia japonica | MEP (甲基赤藓醇磷酸) 途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | MEP (甲基赤藓醇磷酸) 途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | MEP (甲基赤藓醇磷酸) 途径 | ISPF | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | MEP (甲基赤藓醇磷酸) 途径 | IPPI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 同时参与MVA途径，地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | MVA (甲羟戊酸) 途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | MVA (甲羟戊酸) 途径 | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 地上组织表达下调 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | GPPS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 根中表达较高，但不显著 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | G10H | 香叶醇-10-羟化酶 | 催化 | 根中表达较高，但不显著 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | 8HGO | 8-羟基香叶醇氧化还原酶 | 催化 | 根中表达较高，但不显著 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | IS | 环烯醚萜合酶 | 催化 | 根中表达较高，但不显著 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | IO | 环烯醚萜氧化酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | SLS | 裂环马钱苷合酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | 裂环烯醚萜生物合成途径 | LAMT | 马钱苷酸O-甲基转移酶 | 催化 | 地上组织表达上调 |
| Swertia japonica | 芒果苷生物合成途径 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 地上组织表达下调 |
| Swertia japonica | 糖基化修饰 | UGT (多个成员) | UDP-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 共103个UGT unigenes，其中37个在地上组织上调，可能参与活性代谢物糖基化 |
关键发现
- 共获得约2.2 Gbp高质量clean reads（地上组织1,193,840,800 bp，根950,603,200 bp）
- 组装得到81,729条unigenes，平均长度884 bp，N50为1,452 bp，其中46,963条（57.5%）获得NCBI nr注释
- 差异表达分析发现1,695个unigenes在地上组织上调、730个下调
- 鉴定出17,992个SSR
- 在MEP和MVA通路中分别找到15和17个候选酶基因，裂环烯醚萜通路32个
- 发现37个上调的UDP-糖基转移酶候选基因参与代谢物糖基化。
研究结论
本研究首次完成了Swertia japonica的de novo转录组组装与注释，提供了全面的基因资源，鉴定了参与治疗性代谢物生物合成的候选基因和糖基转移酶，为未来功能研究和代谢工程改造奠定基础。