Full-length transcriptome sequencing and methyl jasmonate-induced expression profile analysis of genes related to patchouloi biosynthesis and regulation in Pogostemon cablin

作者: Xiuzhen Chen, Junren Li, Xiaobing Wang, Liting Zhong, Yun Tang, Xuanxuan Zhou, Yanting Liu, Ruoting Zhan, Hai Zheng, Weiwen Chen, Likai Chen
单位: Research Center of Chinese Herbal Resource Science and Engineering, Guangzhou University of Chinese Medicine; Key Laboratory of Chinese Medicinal Resource from Lingnan (Guangzhou University of Chinese Medicine), Ministry of Education; Joint Laboratory of National Engineering Research Center for the Pharmaceutics of Traditional Chinese Medicines, Guangzhou University of Chinese Medicine; Guangdong Institute of Traditional Chinese Medicine
杂志: BMC Plant Biology（2019）
DOI: 10.1186/s12870-019-1884-x
所属领域: 代谢工程
关键词: Expression profileFull-length transcriptomeMeJAPatchouliPogostemon cablin
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解决的核心问题

广藿香醇是广藿香的主要活性成分，但缺乏全长转录组数据，且对茉莉酸甲酯（MeJA）调控广藿香醇生物合成相关基因的表达模式了解有限，限制了该生物合成途径的解析和利用。

研究策略

结合形态学观察、GC-MS挥发性成分分析、PacBio Iso-Seq全长转录组测序，以及MeJA处理后的转录组表达谱分析，系统鉴定广藿香醇生物合成相关基因及其调控因子。

研究路线图

100%

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核心内容

本研究以广藿香品种'Zhanxiang'为对象，结合形态学观察、GC-MS挥发性成分分析和PacBio Iso-Seq全长转录组测序，首次构建了该品种的全长转录组，并系统分析了茉莉酸甲酯（MeJA）处理下广藿香醇生物合成相关基因的表达调控模式。测序获得9.7 Gb数据，包含379,146个FLNC读长，最终重建82,335个全长UniTransModels。共鉴定出102个转录本编码16个参与广藿香醇生物合成的酶，覆盖MVA途径（AACT、HMGS、HMGR等）和MEP途径（DXS、DXR、HDR等），以及IDI、FDPS和PatPTS。MeJA处理后广藿香醇含量显著增加（p<0.01），共鉴定655个差异表达基因，其中HMGR、DXS、HDR和PatPTS等多个关键基因上调超过2倍，同时JAZ蛋白和MYC同源基因也受MeJA诱导上调。研究揭示了MeJA通过激活MVA/MEP途径及PatPTS等关键基因表达促进广藿香醇积累的调控网络，为广藿香醇生物合成的遗传解析和代谢工程改良提供了宝贵的转录组资源和理论基础。

创新点

首次构建广藿香（Pogostemon cablin cv. 'Zhanxiang'）的全长转录组；鉴定了102个编码16个参与广藿香醇生物合成酶的转录本；揭示了MeJA通过激活MVA/MEP途径及PatPTS等关键基因表达促进广藿香醇合成的调控网络。

研究对象（23）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Pogostemon cablin	MVA pathway	AACT	AACT	催化	乙酰辅酶A酰基转移酶，EC 2.3.1.9，MVA途径第一个酶
Pogostemon cablin	MVA pathway	HMGS	HMGS	催化	3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶，EC 2.3.3.10
Pogostemon cablin	MVA pathway	HMGR	HMGR	催化	3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，EC 1.1.1.34，MVA途径限速酶
Pogostemon cablin	MVA pathway	MVK	MVK	催化	甲羟戊酸激酶，EC 2.7.1.36
Pogostemon cablin	MVA pathway	PMK	PMK	催化	磷酸甲羟戊酸激酶，EC 2.7.4.2
Pogostemon cablin	MVA pathway	MVD	MVD	催化	甲羟戊酸5-焦磷酸脱羧酶，EC 4.1.1.33
Pogostemon cablin	MEP pathway	DXS	DXS	催化	1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，EC 2.2.1.7，MEP途径限速酶
Pogostemon cablin	MEP pathway	DXR	DXR	催化	1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶，EC 1.1.1.267
Pogostemon cablin	MEP pathway	MCT	MCT	催化	MEP胞苷酰转移酶，EC 2.7.7.60
Pogostemon cablin	MEP pathway	CMK	CMK	催化	4-(胞苷5'-二磷酸)-2-C-甲基赤藓醇激酶，EC 2.7.1.148
Pogostemon cablin	MEP pathway	MDS	MDS	催化	2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶，EC 4.6.1.12
Pogostemon cablin	MEP pathway	HDS	HDS	催化	羟甲基丁烯基-4-二磷酸合酶，EC 1.17.7.1
Pogostemon cablin	MEP pathway	HDR	HDR	催化	4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶，EC 1.17.1.2
Pogostemon cablin	萜类前体合成	IDI	IDI	催化	异戊烯基二磷酸异构酶，EC 5.3.3.2，催化IPP转化为DMAPP
Pogostemon cablin	倍半萜合成	FDPS	FDPS	催化	法尼基二磷酸合酶，EC 2.5.1.10，催化IPP和DMAPP缩合生成FPP
Pogostemon cablin	倍半萜合成	PatPTS	PatPTS	催化	广藿香醇合酶，直接催化FPP生成广藿香醇
Pogostemon cablin	JA合成与信号	JAR1	JAR1	催化	茉莉酸-氨基酸合酶，将JA转化为活性形式JA-Ile
Pogostemon cablin	JA信号转导	COI1	COI1	调控	茉莉酸受体F-box蛋白，与JA-Ile结合
Pogostemon cablin	JA信号转导	JAZ	JAZ	调控	茉莉酸ZIM结构域蛋白，负调控JA响应基因表达
Pogostemon cablin	JA信号转导	MYC2	MYC2	调控	bHLH转录因子，JA响应核心调控因子
Pogostemon cablin	JA信号转导	AP2/ERF	AP2/ERF	调控	APETALA2/乙烯响应因子，参与JA调控次生代谢
Pogostemon cablin	JA信号转导	MYB	MYB	调控	MYB转录因子，响应MeJA差异表达
Pogostemon cablin	JA信号转导	bZIP	bZIP	调控	bZIP转录因子，响应MeJA差异表达

关键发现

获得9.7 Gb PacBio测序数据，包含502,101个ROI和379,146个FLNC读长，经聚类得到251,015个共有转录本，最终重建82,335个全长UniTransModels；鉴定出102个转录本编码16个参与广藿香醇生物合成的酶，其中MVA途径32个转录本（AACT
HMGS
HMGR
MVK
PMK
MVD 4），MEP途径39个（DXS
DXR
MCT
CMK
MDS
HDS
HDR 15），另有IDI
FDPS
PatPTS 19；MeJA处理后广藿香醇含量显著增加（p<0.01），共鉴定655个DEGs（427个上调，228个下调）；HMGR_1/2、DXS_4/6/8、HDR_8、PTS_2/7/8/19等基因上调≥2倍；JAZ蛋白2、3、4、6、11被qRT-PCR确认受MeJA诱导上调；MYC同源基因全部上调，AP2/ERF中PatUTM.I-28888显著上调。

研究结论

本研究全面报道了'Zhanxiang'广藿香的形态特征、挥发性化学成分和全长转录组特性，揭示了MeJA通过激活广藿香醇生物合成途径中多数基因（尤其是HMGR、DXS、HDR和PatPTS）的表达来促进广藿香醇积累的机制，为深入理解广藿香醇生物合成及其调控提供了宝贵的遗传资源和理论基础。