Multi-combination comparative transcriptome analysis response to MeJA and identifies genes putatively involved in oridonin biosynthesis in Isodon rubescens
- 作者
- Conglong Lian, Bao Zhang, Fei Zhang, JinXu Lan, Jingfan Yang, Hao Yang, Jingjing Li, Suiqing Chen
- 杂志
- BMC Plant Biology（2025）
- DOI
- 10.1186/s12870-025-07460-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析冬凌草（Isodon rubescens）中冬凌草甲素（oridonin）生物合成的关键基因，尤其是响应茉莉酸甲酯（MeJA）诱导的基因，从而揭示冬凌草甲素积累的调控机制。
研究策略
以含冬凌草甲素的JY品系和不含冬凌草甲素的LS品系为材料，分别进行MeJA处理，构建12个cDNA文库进行高通量RNA测序；通过多组比较（JY_M3h vs JY_M0h、LS_M3h vs LS_M0h、JY_M0h vs LS_M0h、JY_M3h vs LS_M3h）筛选差异表达基因，结合KEGG通路富集、转录因子预测、qRT-PCR验证以及SNP/SSR标记分析，挖掘候选基因。
核心内容
本研究以产冬凌草甲素的JY品系和不产该化合物的LS品系为材料，经茉莉酸甲酯（MeJA）处理后构建12个cDNA文库进行高通量RNA测序，通过多组合比较转录组分析解析冬凌草甲素生物合成的关键基因与调控机制。组装获得43,115个unigenes，其中11,253个为差异表达基因；MeJA诱导3小时使冬凌草甲素含量提高22.62%。在JY品系特异响应的776个DEGs中鉴定出10个细胞色素P450基因（包括IrCYP706V2和IrCYP706V7）及松柏醇合酶、对映-贝壳杉烯合酶等二萜相关基因；同时筛选出GRAS、ERF、WRKY三类共3个候选转录因子，其中bHLH家族（564个）为最大的转录因子类别。qRT-PCR验证了18个unigenes的表达趋势与测序结果一致。此外，检测到14,609个SSR和大量SNP标记，为冬凌草甲素合成途径的完整解析及遗传改良提供了重要基因资源和分子标记基础。
创新点
首次对I. rubescens进行MeJA响应的比较转录组分析；通过多组合比较筛选出776个仅在JY品系中MeJA特异响应的DEGs，其中包括10个细胞色素P450基因；鉴定出3个可能调控冬凌草甲素合成的转录因子（GRAS、ERF、WRKY）；构建了冬凌草甲素推定的生物合成途径并展示相关基因表达热图。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Isodon rubescens (JY品系和LS品系) | 萜类骨架生物合成 (MVA途径) | HMGR (TRINITY_DN17892_c0_g1) | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA生成甲羟戊酸，MeJA处理后显著上调 |
| Isodon rubescens (JY品系和LS品系) | 萜类骨架生物合成 (MEP途径) | ISPH (TRINITY_DN19751_c0_g3) | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径末端酶，MeJA处理后显著上调 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 (冬凌草甲素) | IrCYP706V2 | 细胞色素P450单加氧酶CYP706V2 | 催化 | 参与冬凌草甲素生物合成中的氧化步骤，MeJA诱导表达 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 (冬凌草甲素) | IrCYP706V7 | 细胞色素P450单加氧酶CYP706V7 | 催化 | 与IrCYP706V2协同参与冬凌草甲素合成，MeJA诱导表达 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 | KS (TRINITY_DN15337_c0_g4) | 对映-贝壳杉烯合酶 (ent-kaurene synthase) | 催化 | 催化对映-柯巴焦磷酸生成对映-贝壳杉烯，在JY品系特异表达 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 | SBS (TRINITY_DN19681_c0_g1) | 松柏醇合酶 (nezukol synthase) | 催化 | 推测参与二萜骨架形成，在JY品系特异表达 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 | KSL4 (TRINITY_DN21979_c1_g1) | 贝壳杉烯合酶4 | 催化 | MeJA处理后差异表达，可能参与冬凌草甲素合成 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 二萜生物合成 | CYP82U4 (TRINITY_DN20437_c0_g1) | 细胞色素P450 CYP82U4 | 催化 | MeJA处理后显著响应，推测参与二萜氧化修饰 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 调控网络 | GRAS (TRINITY_DN10953_c0_g1) | GRAS转录因子 | 调控 | 在JY_M3h vs JY_M0h、JY_M0h vs LS_M0h和JY_M3h vs LS_M3h三组比较中共同差异表达 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 调控网络 | ERF (TRINITY_DN19246_c0_g3) | 乙烯响应因子（ERF） | 调控 | 在JY和LS比较中共同差异表达，可能参与MeJA信号调控 |
| Isodon rubescens (JY品系) | 调控网络 | WRKY (TRINITY_DN17215_c0_g2) | WRKY转录因子 | 调控 | 在多个比较组中差异表达，可能调控萜类合成基因 |
关键发现
- 组装获得43,115个unigenes，其中11,253个为差异表达基因
- MeJA响应的DEGs共5,070个，包括397个转录因子（bHLH、ERF、NAC、MYB等）
- KEGG注释显示53个二萜生物合成相关unigenes中有18个为DEGs，并鉴定出10个CYP450 unigenes和3个候选转录因子
- MeJA处理3h时冬凌草甲素含量提高22.62%
- JY_M3h vs JY_M0h有3,197个DEGs（上调1,750，下调1,447），LS_M3h vs LS_M0h有2,251个（上调1,251，下调1,300）
- JY_M0h vs LS_M0h有5,405个DEGs，JY_M3h vs LS_M3h有4,782个
- 共有222个上调和156个下调基因在JY和LS中一致响应MeJA
- 173个基因在JY中特异表达（mean_TPM≤0.5 in LS），包括nezukol synthase（SBS）和ent-kaurene synthase（KS）两个二萜相关基因
- 鉴定了10个CYP450 DEGs（如CYP94A1、CYP76C1-like等）
- 12个基因被MeJA显著上调（如ISPH、GGR、DAO、HMG2、IrCYP706V2、IrCYP706V7等）
- 转录因子分析共注释1,433个，bHLH家族最多（564个，占39%），其中397个为MeJA响应TF
- qRT-PCR验证18个unigenes与RNA-seq结果一致
- 检测到14,609个SSRs，其中二核苷酸重复5,858个、单核苷酸重复4,895个
- SNP总数每文库65,862~106,465个，转换（38,898~63,299）显著高于颠换（26,964~43,054）。
研究结论
本研究首次对I. rubescens进行MeJA响应的比较转录组分析，揭示了MeJA诱导的基因表达变化，筛选出多个可能参与冬凌草甲素生物合成的候选基因（包括CYP450和转录因子），并提供了SNP/SSR标记资源，为冬凌草甲素合成途径的完整解析和遗传改良奠定了基础。