Transcriptome-wide analysis of AlbHLH gene family in Atractylodes lancea (Thunb.) DC and functional exploration of AlbHLH3 in regulating terpenoid biosynthesis
- 作者
- Baiyi Zhang, Peina Zhou, Xiaoli Yang, Bingyan Gao, Yucheng Cao, Juan Deng, Xiao Huang, Kun Yu, Ling Gong
- 单位
- College of Pharmacy, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China; Hubei Shizhen Laboratory, Wuhan 430065, China; Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants, Nanjing 211111, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2025）
- DOI
- 10.1186/s12870-025-07579-3
- 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
尚不清楚 Atractylodes lancea 中 bHLH 转录因子在萜类生物合成中的调控机制，特别是 AlbHLH3 的功能角色。
研究策略
通过 PacBio SMRT 和 Illumina RNA-seq 全面鉴定 AlbHLH 基因家族，结合系统发育分析、保守基序分析、组织表达谱与 GC-MS 代谢物测定，筛选候选基因；利用 Y1H、EMSA、亚细胞定位和瞬时过表达实验验证 AlbHLH3 对 AlHMRG3 及其下游萜类合成基因的调控作用。
核心内容
该研究对茅苍术中的bHLH转录因子家族进行了全转录组水平鉴定与功能解析。通过PacBio SMRT和Illumina RNA-seq测序，共鉴定出176个AlbHLH基因，分为21个亚家族，其中133个为典型E-box结合蛋白。结合组织表达谱与GC-MS代谢物测定，发现AlbHLH3与根茎中含量最高的hinesol和atractylon呈正相关。酵母单杂交和EMSA实验证实AlbHLH3可直接结合AlHMRG3启动子中的E-box元件；在茅苍术毛状根中过表达AlbHLH3后，其转录水平提高45.7倍，并显著上调AlHMRG3（1.7倍）及下游AIMVK、AIMVD、AIPMK等MVA途径基因的表达。研究首次系统揭示了AlbHLH3作为正调控因子通过激活AlHMRG3启动子协同促进倍半萜生物合成的分子机制，为利用基因工程改良苍术药用品质提供了关键靶点。
创新点
首次在 A. lancea 中系统鉴定 176 个 AlbHLH 基因并分类为 21 个亚家族；发现 AlbHLH3 通过直接结合 AlHMRG3 启动子 E-box 元件激活其转录，从而正调控倍半萜生物合成。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Atractylodes lancea | MVA 途径/倍半萜生物合成 | AlbHLH3 | AlbHLH3 (bHLH transcription factor) | 调控 | 转录因子，直接结合 AlHMRG3 启动子 E-box，过表达上调下游萜类基因 |
| Atractylodes lancea | MVA 途径 | AlHMRG3 | HMG-CoA reductase (HMGR) | 催化 | 倍半萜合成关键限速酶，被 AlbHLH3 激活 |
| Atractylodes lancea | MVA 途径 | AIMVK | Mevalonate kinase (MVK) | 催化 | 下游甲羟戊酸激酶，AlbHLH3 过表达后上调 |
| Atractylodes lancea | MVA 途径 | AIMVD | Mevalonate diphosphate decarboxylase (MVD) | 催化 | 下游甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶，AlbHLH3 过表达后上调 |
| Atractylodes lancea | MVA 途径 | AIPMK | Phosphomevalonate kinase (PMK) | 催化 | 下游磷酸甲羟戊酸激酶，AlbHLH3 过表达后上调 |
| Nicotiana benthamiana | — | AlbHLH3 | AlbHLH3-GFP | 调控 | 亚细胞定位显示核定位 |
| Saccharomyces cerevisiae (Y1HGold) | — | AlbHLH3 | AlbHLH3 (AD fusion) | 调控 | 酵母单杂交证明与 AlHMRG3 启动子互作 |
| Escherichia coli (Rosetta DE3) | — | AlbHLH3 | AlbHLH3-MBP | 调控 | 表达重组蛋白进行 EMSA |
关键发现
- ['通过 PacBio SMRT 测序获得 6,560,183 条 subreads，产生 352,632 条 CCS，其中 250,071 条 FLNC，128,515 条 consensus sequences，FLNC/CCS 比例为
- 91%', '共鉴定出 176 个 AlbHLH 基因，分为 21 个亚家族；其中 133 个为典型 E-box 结合蛋白，35 个为非 E-box 结合蛋白，8 个为非典型蛋白', '36 个 AlbHLH 在四个组织中差异表达，19 个在根茎（R）和根茎芽（RB）中高表达', 'GC-MS 分析表明 hinesol 和 atractylon 在 RB 和 R 中含量最高，β-eudesmol 在 R 中含量最高', 'AlbHLH3 与 hinesol 和 atractylon 含量正相关', 'Y1H 和 EMSA 证明 AlbHLH3 直接结合 AlHMRG3 启动子中的 E-box 元件', '在 A. lancea 毛状根中过表达 AlbHLH3 使其转录水平提高
- 7 倍（p<0.0001），并显著上调 AlHMRG3 表达（1.7 倍，p<0.01）及下游 AIMVK、AIMVD、AIPMK 基因']
研究结论
AlbHLH3 作为转录因子直接结合 AlHMRG3 启动子 E-box 元件并激活其表达，进而协同上调下游倍半萜合成基因，是 A. lancea 萜类生物合成的正调控因子，为通过基因工程改良苍术药用品质提供了新靶点。