A chromosome level reference genome of Diviner's sage (Salvia divinorum) provides insight into salvinorin A biosynthesis
- 作者
- Scott A. Ford, Rob W. Ness, Moonhyuk Kwon, Dae-Kyun Ro, Michael A. Phillips
- 杂志
- BMC Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1186/s12870-024-05633-0
- 所属领域
- 植物基因组学与代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Salvinorin A的生物合成途径尚有约十个步骤未解析，缺乏高质量参考基因组来鉴定参与该途径的基因。
研究策略
采用PacBio HiFi测序组装染色体级别基因组，结合从头注释、比较基因组学、生物合成基因簇预测和转录组分析，系统筛选参与salvinorin A生物合成的候选酶。
核心内容
该研究首次报道了灵性鼠尾草（Salvia divinorum）染色体级别参考基因组，为解析salvinorin A生物合成途径提供了关键基础。通过PacBio HiFi测序组装获得约541 Mb基因组，N50达41.4 Mb，BUSCO完整度98.4%，重复序列占67.63%，注释出34,514个基因。结合从头注释、比较基因组学、生物合成基因簇预测和转录组分析，系统筛选参与salvinorin A合成的候选酶。共鉴定出107个萜烯合酶、392个细胞色素P450、69个醇脱氢酶、39个O-甲基转移酶和105个BAHD酰基转移酶，并识别出两个二萜生物合成基因簇。茉莉酸甲酯处理下，crotonolide G合酶显著上调3.0倍，CYP728D26上调2.2倍，Nudix水解酶g224/g7372受诱导（Log2FC≈2.07/2.16），g225在毛状体中高表达（Log2FC=6.67）。此外发现Nudix水解酶可能参与kolavenol生成，而SdCPS2虽催化第一步却不在基因簇中。该基因组资源显著加速了salvinorin A完整生物合成途径的解析，为相关二萜类药物的临床开发奠定基础。
创新点
首次报道S. divinorum染色体级别参考基因组，N50达41.4 Mb，BUSCO完整度98.4%；识别出两个二萜生物合成基因簇；发现Nudix水解酶可能参与kolavenol生成的新线索。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成（新克罗烷型二萜） | SdCPS2 (g10209) | copalyl diphosphate synthase 2 (类-II 二萜合酶) | 催化 | 催化GGDP环化生成kolavenyl diphosphate，是SalA途径第一步，位于4号染色体，不在BGC中。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成 | SdCPS1 (g13584) | copalyl diphosphate synthase 1 | 催化 | 具有(-)-kolavenyl diphosphate合酶活性，位于contig 6 BGC，主要根中表达。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成 | crotonolide G synthase | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化二氢呋喃环形成，位于contig 14 BGC，MeJA诱导上调Log2FC=3.0。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成 | CYP728D26 (g5204) | 细胞色素P450 CYP728D26 | 催化 | 参与C18羟基化，MeJA诱导上调Log2FC=2.2。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成 | CYP728D25 | 细胞色素P450 CYP728D25 | 催化 | 可能催化C1羟基化。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成 | SdKSL1 | kaurene synthase-like 1 | 催化 | 类-I二萜合酶，不能转化CLDP为kolavenol。 |
| Salvia divinorum | salvinorin A生物合成（推测） | g224, g225, g7372 | Nudix水解酶 | 催化 | 可能参与KDP脱磷酸生成kolavenol；g224/g7372受MeJA诱导，g225在毛状体高表达。 |
关键发现
- 染色体级别基因组约541 Mb，N50
- 4 Mb，BUSCO
- 4%；重复序列占67.63%；注释出34,514个基因；发现107个萜烯合酶、392个细胞色素P450、69个醇脱氢酶、39个O-甲基转移酶和105个BAHD酰基转移酶；两个二萜BGC分别位于contig 6和14，包含crotonolide G合酶等；MeJA处理下仅crotonolide G合酶显著上调（Log2FC=3.0），CYP728D26上调2.2倍；Nudix水解酶g224/g7372受MeJA诱导（Log2FC≈2.07/2.16），g225在毛状体中高表达（Log2FC=6.67）；SdCPS2催化第一步但不在BGC中；Salvinorin A对κ-阿片受体Ki约4 nM。
研究结论
该基因组资源为完整解析salvinorin A生物合成途径提供了关键基础，所鉴定的候选基因将促进SalA及其类似物的临床开发。