Omic analysis of the endangered Taxaceae species Pseudotaxus chienii revealed the differences in taxol biosynthesis pathway between Pseudotaxus and Taxus yunnanensis trees
- 作者
- Chunna Yu, Chengchao Zhang, Xinyun Xu, Jiefang Huang, Yueyue Chen, Xiujun Luo, Huizhong Wang, Chenjia Shen
- 单位
- College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University; Zhejiang Provincial Key Laboratory for Genetic Improvement and Quality Control of Medicinal Plants, Hangzhou Normal University
- 杂志
- BMC Plant Biology（2021）
- DOI
- 10.1186/s12870-021-02883-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
首次揭示濒危物种Pseudotaxus chienii中紫杉烷类化合物的积累情况，并通过比较组学阐明Pseudotaxus与Taxus之间紫杉醇生物合成途径的差异。
研究策略
结合靶向LC-MS定量、非靶向代谢组学（UPLC-MS/MS）和转录组学（RNA-seq）对P. chienii和T. yunnanensis进行综合分析，比较差异积累代谢物和差异表达基因，并构建紫杉醇生物合成相关通路。
核心内容
本研究首次对濒危物种白豆杉（Pseudotaxus chienii）与云南红豆杉（Taxus yunnanensis）进行了比较组学分析，以阐明两者紫杉醇生物合成途径的差异。研究结合靶向LC-MS定量、非靶向代谢组学（UPLC-MS/MS）和转录组学（RNA-seq），检测了紫杉烷积累、差异代谢物及差异表达基因，并构建了相关合成通路。结果显示，白豆杉中检测到全部六种目标紫杉烷，其中10-DAB、紫杉醇和7-E-PTX含量显著高于云南红豆杉（P<0.01），而BAC、DAP和7-E-DAP无显著差异；代谢组学共鉴定3387个代谢物，其中313个为差异积累代谢物。转录组组装获得61,146个unigenes（N50=1606），并鉴定出20个编码9个关键酶的unigenes及多个差异表达转录因子。MEP途径中GPP和GGPP在云南红豆杉中高积累，而部分中间代谢产物如10-deacetylbaccatin则在白豆杉中更丰富。qRT-PCR验证了8个基因的表达差异。结果表明，关键酶基因的差异表达是两物种紫杉烷积累差异的主要原因，白豆杉紫杉醇含量高于云南红豆杉，是极具潜力的产紫杉醇物种，为紫杉醇生物合成调控提供了新候选因子，并为该濒危物种的资源保护与利用奠定了基础。
创新点
首次报道P. chienii的转录组和代谢组数据；发现P. chienii中10-DAB、紫杉醇和7-E-PTX高积累，是良好的产紫杉醇物种；鉴定多个差异表达转录因子作为紫杉醇生物合成的候选调控因子。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | TS | taxadiene synthase | 催化 | 催化GGPP环化形成taxa-4(5),11(12)-diene，在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | T5aH | taxadiene 5α-hydroxylase | 催化 | CYP450羟化酶，P. chienii中T5aH1/3高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | T13aH | taxadiene 13α-hydroxylase | 催化 | CYP450羟化酶，在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | T10βH | taxadiene 10β-hydroxylase | 催化 | CYP450羟化酶，P. chienii中T10βH1/2/3高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | TAT | taxadien-5α-ol O-acetyl transferase | 催化 | 催化第一个酰化步骤，在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | DBAT | 10-deacetylbaccatin III-10-O-acetyltransferase | 催化 | 限速酶，在P. chienii中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | BAPT | baccatin III-3-amino,3-phenylpropanoyltransferase | 催化 | P. chienii中BAPT1/2高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | TBT | taxane-2α-O-benzoyltransferase | 催化 | 在P. chienii中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成途径 | DBTNBT | 3'-N-debenzoyl-2'-deoxytaxol-N-benzoyltransferase | 催化 | 在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | MEP途径 | DXS, DXR, MCT, CMK, MDS, HDS, HDR, GGPS, GGPPS | MEP途径系列酶 | 催化 | 提供紫杉醇合成前体GGPP，多数基因在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉素代谢分支 | T2αH | taxadiene 2α-hydroxylase | 催化 | 在P. chienii中高表达，参与紫杉素类代谢物积累 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉素代谢分支 | T7βH | taxadiene 7β-hydroxylase | 催化 | 在T. yunnanensis中高表达 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 14-羟基化紫杉烷生物合成 | T14βH | 14β-hydroxylase | 催化 | 在T. yunnanensis中高表达，参与taxuyunnanin C合成 |
| Pseudotaxus chienii; Taxus yunnanensis | 紫杉醇生物合成调控 | MYC, ERF, WRKY, MYB | 转录因子 | 调控 | 多个差异表达转录因子，可能调控紫杉醇生物合成基因 |
关键发现
- 在P. chienii中检测到全部6种目标紫杉烷（10-DAB、BAC、DAP、PTX、7-E-DAP、7-E-PTX），其中10-DAB、PTX和7-E-PTX含量显著高于T. yunnanensis（P<0.01），而BAC、DAP和7-E-DAP无显著差异。代谢组学共鉴定3387个代谢物，其中313个为差异积累代谢物
- 转录组获得50.35 Gb数据，组装出133,507个转录本（N50=1561）和61,146个unigenes（N50=1606），其中4,215个基因在T. yunnanensis高表达、4,845个在P. chienii高表达。在MEP途径中，GPP和GGPP在T. yunnanensis中高积累。在紫杉醇合成途径中，鉴定到20个unigenes编码9个关键酶
- 6个中间代谢产物中，10-deacetyl-2-debenzoylbaccatin和10-deacetylbaccatin在P. chienii中高积累，而10β,14β-dihydroxytaxa-4(20),11(12)-dien-5α-yl acetate和3'-N-debenzoyltaxol在T. yunnanensis中高积累。此外，(+) -taxusin、2α-hydroxytaxusin和7β-hydroxytaxusin在P. chienii中高积累，而taxuyunnanin C无显著差异。qRT-PCR验证了8个基因的表达差异。
研究结论
确认P. chienii中存在紫杉醇及其他紫杉烷，且其紫杉醇含量高于T. yunnanensis，表明P. chienii是可用于大规模栽培的优良产紫杉醇物种。紫杉醇生物合成途径中关键基因的差异表达是导致紫杉烷差异积累的主要原因。差异表达转录因子为紫杉醇生物合成的调控提供了新候选。研究有助于理解Pseudotaxus与Taxus之间的差异，并促进濒危物种P. chienii的资源利用。