结合全长转录组和代谢组学鉴定延胡索中的苄基异喹啉生物碱生物合成基因

中文名: 结合全长转录组和代谢组学鉴定延胡索中的苄基异喹啉生物碱生物合成基因

英文名: Integration of full-length transcriptomics and targeted metabolomics to identify benzylisoquinoline alkaloid biosynthetic genes in Corydalis yanhusuo

杂志：Horticulture Research

影响因子：5.404

研究背景

延胡索( Corydalis yanhusuo W.T. Wang) ，别名元胡，罂粟科紫堇属多年生草本植物，常以其干燥块茎入药，是世界上具有低成瘾性和耐受性的镇痛中药，镇痛效价约为吗啡的60%。四氢巴马汀和左旋紫堇达明已被确认为延胡索中具有镇痛活性成分，可作为阿片类镇痛药的替代品，但含量低下，产量较小的缺点制约着该类药物的应用。

研究目的

对合成原小檗碱型苄基异喹啉生物碱的相关基因进行了挖掘，为后期利用合成生物学与植物代谢工程生产延胡索中具有镇痛效果的痕量化合物奠定了基础。

材料方法

延胡索，成熟期的叶和块茎，道地产区浙江磐安

代谢：UPLC-Q-TOFMS定性定量

转录组：二代+三代全长转录组测序

研究结果

1、转录组和代谢组测序分析

该研究以来自道地产区浙江磐安的延胡索成熟期的叶和块茎为研究对象，采用UPLC-Q-TOFMS定性定量分析了延胡索中具有镇痛活性的成分，并通过二代校准的三代全长转录组测序的方法对合成原小檗碱型苄基异喹啉生物碱的相关基因进行了挖掘。

2.、转录组-代谢组联合分析

对处于不同器官的组织样品进行了转录组-代谢组联合分析，最终鉴定到了101个参与苄基异喹啉生物碱(benzylisoquinoline alkaloid,BIA)生物合成途径的unigenes和38种在延胡索叶与块茎中含量具有显著差异的代谢物，并对其中19种典型的代谢物进行了器官差异性丰度测定。结果显示，目前已知的合成途径在延胡索中报导过的BIAs合成途径中均成功对应到至少一种关键合成酶的unigene，说明BIA的空间分布差异主要受到转录水平上的调控。

3、 OMT蛋白家族系统发育树分析

进一步研究发现，其中参与合成具有广泛临床镇痛潜力的关键代谢物四氢巴马汀的酶可能与唯一已知的黄连中负责催化这一步反应的ColumbamineO-methyltransferase(CoOMT)存在较大的蛋白质序列差异。通过系统发生树分析，作者们推断出至少存在10种unigenes的翻译产物可能催化四氢巴马汀的合成。 特异性的氧甲基化是四氢巴马汀与紫堇达明合成的关键，延胡索中是否存在特殊的一类OMT或者具有不同底物特异性的OMT则是接下来将要重点解析的重点。

文章亮点

本研究明确了镇痛成分的生物合成机制，同时为进一步生化水平上的活性验证提供了方向，且为后期延胡索功能基因组的解析奠定基础。