Genomic characterization of WRKY transcription factors related to secoiridoid biosynthesis in Gentiana macrophyllia
- 作者
- Yangyang Yin, Huanhuan Fu, Fakai Mi, Ye Yang, Yaomin Wang, Zhe Li, Yihan He, Zhenggang Yue
- 单位
- State Key Laboratory of Research & Development of Characteristic Qin Medicine Resources (Cultivation), Coconstruction Collaborative Innovation Center for Chinese Medicinal Resources Industrialization By Shaanxi & Education Ministry, Shaanxi Innovative Drug Research Center, School of Pharmacy, Shaanxi University of Chinese Medicine; College of Life Science, Qinghai Normal University
- 杂志
- BMC Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1186/s12870-024-04727-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统鉴定秦艽（Gentiana macrophylla）中参与裂环环烯醚萜生物合成的WRKY转录因子，并解析其调控机制。
研究策略
全基因组鉴定WRKY基因家族，结合系统发育、基因结构、启动子分析，以及转录组与代谢物含量相关性分析，并通过MeJA处理验证候选WRKY的功能。
核心内容
该研究在秦艽全基因组水平系统鉴定了WRKY转录因子家族，共获得42个GmWRKY基因，分属三个亚组（I、II、III组分别含12、25、5个成员），不均匀分布于12条染色体上。通过转录组与代谢物含量关联分析，研究构建了WRKY-酶基因-代谢物调控网络，筛选出12个与裂环环烯醚萜生物合成相关的候选GmWRKY，其中8个（如GmWRKY1、6、12等）正调控龙胆苦苷积累，4个（如GmWRKY7、14等）负调控马钱苷酸合成。代谢物检测显示龙胆苦苷在根中含量最高（217.98±2.87 mg/g），马钱苷酸、獐芽菜苦苷和獐芽菜苷则在种子中最高。经茉莉酸甲酯处理后，16个GmWRKY和22个酶基因表达上调，龙胆苦苷含量显著增加而马钱苷酸含量下降，验证了候选基因的功能。该结果揭示了WRKY转录因子在秦艽裂环环烯醚萜积累中的差异调控作用，为后续利用这些转录因子提升药用活性成分含量提供了靶点基础。
创新点
首次在秦艽全基因组水平鉴定42个WRKY基因，通过多组学关联分析构建WRKY-酶基因-代谢物调控网络，并筛选出12个参与裂环环烯醚萜生物合成的候选WRKY。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY1 | GmWRKY1蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY6 | GmWRKY6蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY12 | GmWRKY12蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY17 | GmWRKY17蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY33 | GmWRKY33蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY34 | GmWRKY34蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY38 | GmWRKY38蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY39 | GmWRKY39蛋白 | 调控 | 正调控龙胆苦苷合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY7 | GmWRKY7蛋白 | 调控 | 负调控马钱苷酸合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY14 | GmWRKY14蛋白 | 调控 | 负调控马钱苷酸合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY26 | GmWRKY26蛋白 | 调控 | 负调控马钱苷酸合成 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜生物合成途径 | GmWRKY41 | GmWRKY41蛋白 | 调控 | 负调控马钱苷酸合成 |
| Gentiana macrophylla | MVA途径 | GmHMGS | GmHMGS蛋白 | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶，参与MVA途径 |
| Gentiana macrophylla | MVA途径 | GmMK | GmMK蛋白 | 催化 | 甲羟戊酸激酶，参与MVA途径 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜特征途径 | GmGES | GmGES蛋白 | 催化 | 香叶醇合酶，参与裂环环烯醚萜特征途径 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜特征途径 | GmIS | GmIS蛋白 | 催化 | 环烯醚萜合酶，参与裂环环烯醚萜特征途径 |
| Gentiana macrophylla | 裂环环烯醚萜特征途径 | GmSLS | GmSLS蛋白 | 催化 | 裂环马钱苷合酶，参与裂环环烯醚萜特征途径 |
关键发现
- 鉴定42个GmWRKY基因，分为3组（I:12，II:25，III:5），不均匀分布在12条染色体上；84个酶编码基因涉及裂环环烯醚萜生物合成，其中MVA途径19个、MEP途径13个、特征途径52个；龙胆苦苷在根中含量最高，为217.98 ±
- 87 mg/g；马钱苷酸、獐芽菜苦苷和獐芽菜苷在种子中最高，分别为20.69 ±
- 63、5.13 ±
- 10和2.58 ±
- 06 mg/g；12个GmWRKY被鉴定参与裂环环烯醚萜合成，其中8个（GmWRKY1,6,12,17,33,34,38,39）正调控龙胆苦苷，4个（GmWRKY7,14,26,41）负调控马钱苷酸；MeJA处理后，16个GmWRKY和22个酶基因表达上调，龙胆苦苷含量显著增加，马钱苷酸含量显著下降。
研究结论
筛选出8个调控龙胆苦苷和4个调控马钱苷酸合成的候选WRKY转录因子，为深入研究WRKY在秦艽次生代谢物积累中的功能提供了基础。