Construct a gene-to-metabolite network to screen the key genes of triterpene saponin biosynthetic pathway in Panax notoginseng
- 作者
- Ning Wang, Long Wang, Lianwen Qi, Xu Lu
- 单位
- State Key Laboratory of Natural Medicines, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, PR China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1002/bab.1580
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
筛选三七（Panax notoginseng）三萜皂苷生物合成途径中的关键基因，确定调控PPD型皂苷产量应优先靶向的基因
研究策略
利用HPLC-MS对一年生三七不同组织中的12种三萜皂苷进行代谢物谱分析，通过RT-qPCR测定四个关键基因（PnFPS、PnSQS、PnDS、PnSE）的表达模式，并采用典型相关分析构建基因-代谢物网络以筛选关键基因
研究路线图
核心内容
该研究以一年生三七不同组织为材料，结合HPLC-MS代谢物谱分析和RT-qPCR基因表达检测，并首次通过典型相关分析构建基因-代谢物网络，以筛选三萜皂苷生物合成途径中的关键基因。结果显示总皂苷含量在叶中最高，分别为根和叶柄的3倍和8.5倍；叶中主要积累PPD型皂苷Rb3（21.52 mg/g）、Rc（9.80 mg/g）和Rb2（8.92 mg/g），三者合计占叶总皂苷90%以上，而根中仅检出PPT型Rg1和Noto R1。四个关键基因均在叶中高表达，其中PnDS和PnSE在叶柄和根中几乎不表达。典型相关分析表明四个基因与Rb2、Rb3、Rc高度相关，PnSE与三者相关系数达0.980–0.988，对PPD型皂苷合成的贡献顺序为PnSE>PnDS>PnSQS>PnFPS，但与PPT型皂苷无显著相关。该研究确定三七叶片是PPD型皂苷的主要合成部位，并指出PnSE和PnDS是代谢工程调控PPD型皂苷产量的优先靶点。
创新点
首次将基因表达水平与代谢物积累整合构建三七基因-代谢物网络，用于筛选三萜皂苷生物合成关键基因，为植物代谢工程调控皂苷产量提供有效靶点
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 三七（Panax notoginseng）一年生幼苗 | 三萜皂苷生物合成途径 | PnFPS | 法尼基二磷酸合酶（Farnesyl diphosphate synthase） | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成FPP，在叶中表达量高于根和叶柄 |
| 三七（Panax notoginseng）一年生幼苗 | 三萜皂苷生物合成途径 | PnSQS | 角鲨烯合酶（Squalene synthase） | 催化 | 催化两分子FPP头对头缩合生成角鲨烯，在叶和叶柄中高表达，与Rb1、Rb2、Rb3、Rc高度相关 |
| 三七（Panax notoginseng）一年生幼苗 | 三萜皂苷生物合成途径 | PnDS | 达玛烯二醇II合酶（Dammarenediol II synthase） | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化生成达玛烯二醇，在叶中高表达，叶柄和根中几乎不表达 |
| 三七（Panax notoginseng）一年生幼苗 | 三萜皂苷生物合成途径 | PnSE | 角鲨烯环氧酶（Squalene epoxidase） | 催化 | 催化角鲨烯氧化生成2,3-氧化鲨烯，在叶中高表达，对Rb2、Rb3和Rc生物合成贡献最大 |
关键发现
- 总皂苷含量在叶、根、叶柄中依次降低，叶分别为根和叶柄的3倍和8.5倍
- 叶中Rb3含量最高（21.52±1.07 mg/g），其次为Rc（9.80±0.75 mg/g）和Rb2（8.92±0.57 mg/g），三者合计占叶总皂苷的>90%
- 根中Rg1含量为5.34±1.25 mg/g，且Noto R1和Rg1仅在根中检出
- PPD/PPT比值在叶、叶柄、根中分别为490、29.65和0.447
- 四个基因均在叶中高表达，其中PnDS和PnSE在叶中高表达，在叶柄和根中几乎不表达
- 典型相关分析显示，四个基因与PPD型皂苷Rb2、Rb3、Rc高度相关（如PnSE与Rc、Rb2、Rb3的相关系数分别为0.980、0.981和0.988），PnSQS还与Rb1高度相关
- 对Rb2、Rb3和Rc生物合成的贡献顺序为PnSE>PnDS>PnSQS>PnFPS
研究结论
三七叶片是PPD型皂苷Rb2、Rb3和Rc的主要生物合成部位；PnSE和PnDS应是植物代谢工程中调控三七PPD型皂苷产量的优先靶点；四个研究基因与PPT型皂苷（Rg1、Re、Noto R1）无显著相关