Whole-genome, transcriptome, and?methylome analyses provide insights into the evolution of?platycoside biosynthesis in Platycodon grandiflorus, a medicinal? plant?

桔梗全基因組、轉(zhuǎn)錄組、甲基化組分析以及桔梗皂苷生物合成的進(jìn)化研究

Ref：Kim et al. Whole-genome, transcriptome,and methylome analyses provide insights into the evolution of platycosidebiosynthesis in Platycodon grandiflorus, a medicinal plant. HorticultureResearch?(2020) 7:112

https://doi.org/10.1038/s41438-020-0329-x

研究目的

三萜皂苷（Triterpenoid saponins，TSs）是常見的植物化學(xué)物質(zhì)，在植物的防御過程中扮演重要的角色，并具有潛在的藥用價值。桔梗（Platycodon grandiflorus），屬桔?？浦参?，作為一種傳統(tǒng)藥材在東亞地區(qū)常常被用來治療支氣管炎和哮喘。桔梗根提取物的主要成分——桔梗皂苷屬于齊墩果烷型三萜皂苷。研究表明，桔梗皂苷具有多種療效，如抗炎、抗肥胖、抗癌、抗病毒和抗過敏等。盡管研究者們已經(jīng)從桔梗屬植物中分離到了超過70種不同的桔梗皂苷，但是桔梗皂苷生物合成相關(guān)基因的進(jìn)化史尚不清楚。

研究結(jié)果

1）全基因組測序結(jié)果：

????對桔梗進(jìn)行了全基因組測序，獲得了的桔?；蚪M草圖。桔梗基因組大小為680.1 Mb，注釋到40017個蛋白質(zhì)編碼基因。

? ??CYP716?家族的基因在桔梗皂苷氧化過程中起主要作用，經(jīng)過比較基因組分析，發(fā)現(xiàn)桔梗CYP716?基因家族比其它6類菊類植物大得多。

????基于同源基因注釋揭示了β-香樹脂醇合成酶基因（β-amyrin synthases,bASs）在桔梗中的擴(kuò)張。

圖1 桔梗CYP716科的演變。(a) 六種菊科物種的時間分步系統(tǒng)發(fā)育CYP716家族的擴(kuò)展和收縮。分支數(shù)表示從最近的共同祖先(MRCA)分離后，擴(kuò)展(藍(lán)色)和收縮(紅色)基因家族的數(shù)量。右表顯示了CYP450科的數(shù)量，在星號中確定的分析，圖中灰色陰影區(qū)域表示CYP450科在MRCA中的擴(kuò)展，紅色數(shù)字表示對應(yīng)物種的擴(kuò)展。b熱圖顯示CYP716蛋白在6個物種中的豐度。星號(*)表示CYP716蛋白修飾三萜烯支架。(c) 桔梗β-amyrin synthases的修飾。將PubChem的結(jié)構(gòu)(ID: 73145)修改為使用羥基-amyrin支架。(d) 熱圖顯示了CYP450基因的表達(dá)以及已知的在桔紅苷支架上的反應(yīng)?；虮磉_(dá)表現(xiàn)為來自8個不同組織的RNA-Seq數(shù)據(jù)的每百萬測序reads (FPKM)中每千堿基轉(zhuǎn)錄物的log2片段。星號(*)表示基因在根中的表達(dá)明顯高于其他組織(p<0.001;Fisher檢驗(yàn))。

2）轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果：

????通過轉(zhuǎn)錄組證實(shí)了組織特異性的基因表達(dá)。在擴(kuò)張的bASs基因家族中，研究人員鑒定了一系列了桔梗皂苷生物合成相關(guān)的關(guān)鍵基因，這些基因具有根系優(yōu)勢表達(dá)模式。

圖2 三萜皂苷生物合成(TBS)相關(guān)基因在桔梗中擴(kuò)增和表達(dá)的差異。大桔梗GGPS (a)和bAS (b)基因家族的a、b系統(tǒng)發(fā)育。采用最大似然法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。（c）大桔梗中tbs相關(guān)基因的表達(dá)譜。數(shù)據(jù)表示茉莉酸甲酯(MJ)處理植物12、24、48h(分別為MJ 12h、MJ 24h和MJ 48h)的根、葉、莖、種子和4個花8個不同組織的RNA-Seq數(shù)據(jù)的log2 FPKM值;CT12h為對照組。

3）甲基化分析結(jié)果：

????全基因組亞硫酸氫鹽測序結(jié)果顯示，桔梗中CYP716?和bAS?基因均發(fā)生去甲基化，這表明這兩個基因家族的表觀遺傳修飾影響桔梗皂苷的生物合成。

圖3 桔梗基因組中CYP450家族和TSB相關(guān)基因的DNA甲基化圖譜。（a）在CG、CHG和CHH環(huán)境中CYP450家族基因的甲基化狀態(tài)。根據(jù)對照樣本(CT 12h_AllGenes[黑線])，檢測對照組CYP450基因甲基化水平(CT 12h[紅色]);在MJ處理的三個時間點(diǎn)(MJ 12h[藍(lán)色]、MJ 24h[綠色]和MJ 48h[橙色])。(b) 三種情況下CYP450及TSB相關(guān)基因在對照和MJ處理(CT vs. MJ 12h, CT vs. MJ 24h, CT vs. MJ 48h)中的差異甲基化胞嘧啶(DMCs)密度。(c) MJ處理的CG-DMCs中豐度前30%的CYP450和TSB相關(guān)基因。(d) MJ處理中CG環(huán)境下CYP716s、CYP72s、CYP76s、CYP71s、GGPSs和bAS高甲基化和低甲基化胞嘧啶的相對豐度。比率轉(zhuǎn)換為log2。(e) CYP450和TSB相關(guān)基因上游區(qū)域和編碼區(qū)域內(nèi)CG背景下超dmcs和次dmcs的相對豐度。(f) MJ處理中CG甲基化水平與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)的基因。星號(*)表示在~ 2kb上游區(qū)域和編碼區(qū)域具有相似DMC分布的基因。

研究意義

該研究為通過分子育種改善桔梗農(nóng)藝性狀和桔梗皂苷的生產(chǎn)效率提供了寶貴的基因組資源，該基因組與所獲得的轉(zhuǎn)錄組和甲基化組數(shù)據(jù)一起為研究CYP716?和bAS?基因家族對桔梗皂苷的生物合成和調(diào)控提供了新的見解。

實(shí)驗(yàn)材料

P. grandiflorus cultivar Jangbaek-doraji（韓國）自交4代的一年生植株。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

NCBI Sequence Read Archive (SRA) database under the following accession numbers：

????SPEA00000000 (WGS data)；

????SRR8712510–SRR8712517 (RNA-Seq data derivedfrom eight different tissues),；

????SRR8712518–SRR8712529 (RNA-Seq data from MJtreatments)；

?????SRR9005109–SRR9005120 (WGBS data from MJ treatments)。

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參考鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/29C2hHkSbCTNF0jXf-Q75A?