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

桔梗全基因组、转录组、甲基化组分析以及桔梗皂苷生物合成的进化研究

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）是常见的植物化学物质，在植物的防御过程中扮演重要的角色，并具有潜在的药用价值。桔梗（Platycodon grandiflorus），属桔梗科植物，作为一种传统药材在东亚地区常常被用来治疗支气管炎和哮喘。桔梗根提取物的主要成分——桔梗皂苷属于齐墩果烷型三萜皂苷。研究表明，桔梗皂苷具有多种疗效，如抗炎、抗肥胖、抗癌、抗病毒和抗过敏等。尽管研究者们已经从桔梗属植物中分离到了超过70种不同的桔梗皂苷，但是桔梗皂苷生物合成相关基因的进化史尚不清楚。

研究结果

1）全基因组测序结果：

    对桔梗进行了全基因组测序，获得了的桔梗基因组草图。桔梗基因组大小为680.1 Mb，注释到40017个蛋白质编码基因。

    CYP716 家族的基因在桔梗皂苷氧化过程中起主要作用，经过比较基因组分析，发现桔梗CYP716 基因家族比其它6类菊类植物大得多。

    基于同源基因注释揭示了β-香树脂醇合成酶基因（β-amyrin synthases,bASs）在桔梗中的扩张。

图1 桔梗CYP716科的演变。(a) 六种菊科物种的时间分步系统发育CYP716家族的扩展和收缩。分支数表示从最近的共同祖先(MRCA)分离后，扩展(蓝色)和收缩(红色)基因家族的数量。右表显示了CYP450科的数量，在星号中确定的分析，图中灰色阴影区域表示CYP450科在MRCA中的扩展，红色数字表示对应物种的扩展。b热图显示CYP716蛋白在6个物种中的丰度。星号(*)表示CYP716蛋白修饰三萜烯支架。(c) 桔梗β-amyrin synthases的修饰。将PubChem的结构(ID: 73145)修改为使用羟基-amyrin支架。(d) 热图显示了CYP450基因的表达以及已知的在桔红苷支架上的反应。基因表达表现为来自8个不同组织的RNA-Seq数据的每百万测序reads (FPKM)中每千碱基转录物的log2片段。星号(*)表示基因在根中的表达明显高于其他组织(p<0.001;Fisher检验)。

2）转录组分析结果：

    通过转录组证实了组织特异性的基因表达。在扩张的bASs基因家族中，研究人员鉴定了一系列了桔梗皂苷生物合成相关的关键基因，这些基因具有根系优势表达模式。

图2 三萜皂苷生物合成(TBS)相关基因在桔梗中扩增和表达的差异。大桔梗GGPS (a)和bAS (b)基因家族的a、b系统发育。采用最大似然法构建系统发育树。（c）大桔梗中tbs相关基因的表达谱。数据表示茉莉酸甲酯(MJ)处理植物12、24、48h(分别为MJ 12h、MJ 24h和MJ 48h)的根、叶、茎、种子和4个花8个不同组织的RNA-Seq数据的log2 FPKM值;CT12h为对照组。

3）甲基化分析结果：

    全基因组亚硫酸氢盐测序结果显示，桔梗中CYP716 和bAS 基因均发生去甲基化，这表明这两个基因家族的表观遗传修饰影响桔梗皂苷的生物合成。

图3 桔梗基因组中CYP450家族和TSB相关基因的DNA甲基化图谱。（a）在CG、CHG和CHH环境中CYP450家族基因的甲基化状态。根据对照样本(CT 12h_AllGenes[黑线])，检测对照组CYP450基因甲基化水平(CT 12h[红色]);在MJ处理的三个时间点(MJ 12h[蓝色]、MJ 24h[绿色]和MJ 48h[橙色])。(b) 三种情况下CYP450及TSB相关基因在对照和MJ处理(CT vs. MJ 12h, CT vs. MJ 24h, CT vs. MJ 48h)中的差异甲基化胞嘧啶(DMCs)密度。(c) MJ处理的CG-DMCs中丰度前30%的CYP450和TSB相关基因。(d) MJ处理中CG环境下CYP716s、CYP72s、CYP76s、CYP71s、GGPSs和bAS高甲基化和低甲基化胞嘧啶的相对丰度。比率转换为log2。(e) CYP450和TSB相关基因上游区域和编码区域内CG背景下超dmcs和次dmcs的相对丰度。(f) MJ处理中CG甲基化水平与基因表达呈负相关的基因。星号(*)表示在~ 2kb上游区域和编码区域具有相似DMC分布的基因。

研究意义

该研究为通过分子育种改善桔梗农艺性状和桔梗皂苷的生产效率提供了宝贵的基因组资源，该基因组与所获得的转录组和甲基化组数据一起为研究CYP716 和bAS 基因家族对桔梗皂苷的生物合成和调控提供了新的见解。

实验材料

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

实验数据

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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参考链接：https://mp.weixin.qq.com/s/29C2hHkSbCTNF0jXf-Q75A