Сравнительный анализ транскриптома Veratrum maackii и Veratrum nigrum выявил множество генов-кандидатов, участвующих в биосинтезе стероидных алкалоидов.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8198 (2023) Цитировать эту статью

675 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Вератрум (Melanthiaceae; Liliales) — род многолетних трав, известных производством уникальных биоактивных стероидных алкалоидов. Однако биосинтез этих соединений до конца не изучен, поскольку многие последующие ферментативные этапы еще не изучены. RNA-Seq — мощный метод, который можно использовать для идентификации генов-кандидатов, участвующих в метаболических путях, путем сравнения транскриптомов метаболически активных тканей с контрольными, в которых отсутствует интересующий путь. Транскриптомы корней и листьев диких растений Veratrum maackii и Veratrum nigrum были секвенированы, и 437 820 чистых прочтений были собраны в 203 912 унигенов, 47,67% из которых были аннотированы. Мы идентифицировали 235 дифференциально экспрессируемых унигенов, потенциально участвующих в синтезе стероидных алкалоидов. Двадцать унигенов, включая новые кандидаты монооксигеназы цитохрома P450 и факторы транскрипции, были отобраны для проверки с помощью количественной ПЦР в реальном времени. Большинство генов-кандидатов экспрессировались на более высоких уровнях в корнях, чем в листьях, но имели одинаковый профиль у обоих видов. Среди 20 унигенов, предположительно участвующих в синтезе стероидных алкалоидов, 14 уже были известны. Мы идентифицировали трех новых кандидатов CYP450 (CYP76A2, CYP76B6 и CYP76AH1) и трех новых кандидатов на транскрипционные факторы (ERF1A, bHLH13 и bHLH66). Мы предполагаем, что ERF1A, CYP90G1-1 и CYP76AH1 специфически участвуют в ключевых этапах биосинтеза стероидных алкалоидов в корнях V. maackii. Наши данные представляют собой первый межвидовой анализ биосинтеза стероидных алкалоидов у рода Veratrum и указывают на то, что метаболические свойства V. maackii и V. nigrum в целом консервативны, несмотря на их различные алкалоидные профили.

Veratrum — род, включающий около 40 видов многолетних травянистых растений, широко произрастающих в умеренных регионах северного полушария1,2. Хотя они токсичны, корни некоторых видов Veratrum используются с осторожностью в контексте западного траволечения и традиционной китайской медицины для лечения обезболивания, воспалений3,4, опухолей5,6,7, злокачественных язв8 и тромбозов1. Основными активными соединениями являются стероидные алкалоиды, такие как джервин (и его производное циклопамин), цеванин и вератрамин, которые демонстрируют ряд клинически значимых биоактивностей в клеточных анализах и на животных моделях9,10. Синтез стероидных алкалоидов у видов Veratrum требует изопреноидных единиц, продуцируемых цитозольным путями мевалоната и MEP, которые посредством нескольких ферментативных стадий превращаются в сквален, затем в циклический промежуточный циклоартенол и, в конечном итоге, в холестерин11,12,13. Преобразование холестерина в стероидные алкалоиды требует двух основных семейств генов: монооксигеназ цитохрома P450 (CYP450) и гликозилтрансфераз (GT)14,15,16. Многие из ферментов, участвующих в этой последующей части пути, неизвестны, как и факторы транскрипции, которые регулируют биосинтез стероидных алкалоидов.

Сравнительная транскриптомика — это мощный подход, который позволяет идентифицировать гены, кодирующие метаболические ферменты, и факторы транскрипции, которые их регулируют, путем сравнения метаболически активных тканей с контрольными, в которых отсутствует интересующий путь17,18. Корреляция уровней метаболитов с данными RNA-Seq недавно выявила четыре фермента (включая три CYP450), участвующих в биосинтезе стероидных алкалоидов у Veratrum Californicum19. Кроме того, всестороннее сравнение транскриптомов стебля, листьев и корней Veratrum nigrum выявило 73 дополнительных гена-кандидата, участвующих в различных частях пути, включая 11 ферментов на участке от циклоартенола до холестерина10. Здесь мы применили аналогичный подход сравнительной транскриптомики, но мы включили два вида Veratrum с разными профилями стероидных алкалоидов, чтобы исследовать межвидовые различия, а также общие компоненты путей биосинтеза стероидных алкалоидов Veratrum. Мы сравнили транскриптомы корней и листьев V. maackii и V. nigrum и подтвердили различия в экспрессии генов с помощью RT-PCR. Наши результаты предоставляют ценный геномный ресурс для открытия новых генов, связанных с метаболизмом стероидных алкалоидов.