基于转录组的黄精多糖代谢关键酶基因的筛选与验证

陶鹏; 刘应; 唐子惟; 尹彦棚; 周罗静; 陈胡兰; 高继海; 彭腾

doi:10.13422/j.cnki.syfjx.20230414

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基于转录组的黄精多糖代谢关键酶基因的筛选与验证

药学基础 | 更新时间：2023-05-16

- 基于转录组的黄精多糖代谢关键酶基因的筛选与验证
  增强出版
- Transcriptome-based Screening and Validation of Key Enzyme Genes for Polygonatum Polysaccharide Metabolism
- 中国实验方剂学杂志 2023年29卷第12期页码：157-167
- 作者机构：
  
  成都中医药大学药学院西南特色中药资源国家重点实验室，中药材标准化教育部重点实验室，成都 611137
- 作者简介：
  
  陶鹏，在读硕士，从事中药质量标准研究，E-mail：1326846882@qq.com
  彭腾，教授，从事中药质量标准及大健康产品研发，E-mail：56649923@qq.com
- 基金信息：
  
  四川省科技厅重点项目(2020JDTD0022;2021YFN0015;2022YFS0444);成都市科技局技术创新研发项目(2019-YF05-02306-SN;2021-YF05-02298-SN);达州市重点研发计划项目(20ZDYF0029)
- DOI：10.13422/j.cnki.syfjx.20230414
  中图分类号： R284.2;R285;R289;R287;R22;R2-031;R33;R24
- 收稿日期：2022-11-20，
  
  网络出版日期：2023-03-13，
  
  纸质出版日期：2023-06-20
- 稿件说明：
移动端阅览
陶鹏,刘应,唐子惟等.基于转录组的黄精多糖代谢关键酶基因的筛选与验证[J].中国实验方剂学杂志,2023,29(12):157-167.

TAO Peng,LIU Ying,TANG Ziwei,et al.Transcriptome-based Screening and Validation of Key Enzyme Genes for Polygonatum Polysaccharide Metabolism[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2023,29(12):157-167.
陶鹏,刘应,唐子惟等.基于转录组的黄精多糖代谢关键酶基因的筛选与验证[J].中国实验方剂学杂志,2023,29(12):157-167. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20230414.

TAO Peng,LIU Ying,TANG Ziwei,et al.Transcriptome-based Screening and Validation of Key Enzyme Genes for Polygonatum Polysaccharide Metabolism[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2023,29(12):157-167. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20230414.

摘要

目的

通过湖北黄精、滇黄精、多花黄精根茎的转录组学分析，对影响不同品种黄精多糖含量的关键酶基因进行筛选和验证，并进行氨基酸序列的深入分析，丰富黄精属植物的转录组数据并为其多糖生物合成机制和遗传改良提供参考。

方法

使用了Illumina NovaSeq高通量测序平台对黄精转录组进行测序分析，根据Nr、基因本体（GO）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库的注释分析比较3种黄精转录组的差异，筛选出多糖代谢途径中的关键酶，对关键酶基因表达量进行聚类分析并与多糖含量进行相关性分析，然后对筛选出的8个关键酶基因进行实时荧光定量聚合酶链式反应（Real-time PCR）验证，结合测序结果进一步筛选出多糖生物合成关键酶基因进行同源基因序列分析，构建系统进化树，预测模体（motif）、保守结构域、蛋白序列等电点与相对分子质量，并使用同源建模法构建三维蛋白结构。

结果

通过Nr数据库的注释发现3种黄精与芦笋的基因同源性最高，GO数据库注释结果表明这3种黄精在结合功能、催化活性、代谢过程和细胞组分上差异显著，而KEGG通路注释结果说明这3种黄精在淀粉与蔗糖代谢通路和半乳糖代谢通路上差异显著，根据聚类分析、相关性分析、Real-time PCR验证实验、表达量情况与氨基酸序列的结构与功能预测推测出显著影响不同品种黄精多糖含量的关键酶为

-果糖苷酶（sacA）。

结论

sacA可能是黄精多糖含量差异的主要影响因素，也是黄精多糖主要为果聚糖的重要原因。

Abstract

Objective

To screen and validate key enzyme genes affecting the polysaccharide content in different

Polygonatum

species and perform in-depth amino acid sequence analysis by transcriptomic analysis of

P. zanlanscianense

，

P. kingianum

， and

P. cyrtonema

rhizomes to enrich the transcriptome data of

Polygonatum

plants and provide references for polysaccharide biosynthesis mechanism and genetic improvement.

Method

The

Polygonatum

transcriptome was sequenced and analyzed using the Illumina NovaSeq high-throughput sequencing platform， and the differences in the transcriptomes of the three

Polygonatum

species were compared and according to the annotations of Nr， Gene Ontology （GO）， and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes （KEGG） databases. The key enzymes in the polysaccharide metabolism pathway were screened， and the expression of key enzyme genes was clustered and correlated with the polysaccharide content. Finally， Real-time polymerase chain reaction （Real-time PCR） was performed to validate the eight key enzyme genes， and the key genes of polysaccharide biosynthesis were further screened for homologous gene sequence analysis in combination with sequencing results， followed by constructing phylogenetic trees， predicting motifs， conserved structural domains， protein sequence isoelectric points， and molecular weights， and constructing 3D protein structures by using homology modeling method.

Result

The annotation of the Nr database revealed that three

Polygonatum

species had the highest gene homology with

Asparagus officinalis

. GO database annotation results showed that three

Polygonatum

species differed significantly in binding， catalytic activity， metabolic processes， and cellular components， while the KEGG pathway annotation results indicated that three

Polygonatum

species differed significantly in the starch and sucrose metabolic pathway and galactose metabolic pathway. According to clustering analysis， correlation analysis， Real-time PCR， expression profiles， and structural and functional predictions of amino acid sequences， the key enzyme significantly affecting the polysaccharide content in different

Polygonatum

species was inferred to be

-fructofuranosidase （sacA）.

Conclusion

SacA may be the main influencing factor for the difference in polysaccharide content of

Polygonatum

， and is also an important reason why

Polygonatum

polysaccharides are mainly fructans.

关键词

Keywords

references

国家药典委员会 . 中华人民共和国药典：一部［M］. 北京：中国医药科技出版社， 2020 ： 1088 .

陶弘景 . 名医别录［M］. 尚志钧，校注.北京：人民卫生出版社， 1986 ： 23 .

雷高明，冯卫生，冯云霞，等 . 酒黄精饮片质量标准研究［J］. 中药材， 2011 ， 34 （ 9 ）： 1346 - 1348 .

崔阔澍，肖特，李慧萍，等 . 我国黄精种质资源研究进展［J］. 江苏农业科学， 2021 ， 49 （ 11 ）： 35 - 39 .

董琦，钱红月，王萍，等 . 江西省黄精资源调查与分析［J］. 亚太传统医药， 2021 ， 17 （ 12 ）： 13 - 15 .

倪天宇，罗晓朦，张春椿，等 . 不同生境下多花黄精化学成分比较［J］. 中成药， 2020 ， 42 （ 11 ）： 2948 - 2953 .

夏从龙 . 云南道地药材——滇黄精［J］. 大理大学学报， 2022 ， 7 （ 2 ）： 102 .

任洪民，邓亚羚，张金莲，等 . 药用黄精炮制的历史沿革、化学成分及药理作用研究进展［J］. 中国中药杂志， 2020 ， 45 （ 17 ）： 4163 - 4182 .

陈祖海，曾岳明，李永和，等 . 多花黄精‘丽精1号’氨基酸组成及营养价值分析［J］. 中药材， 2021 ， 44 （ 9 ）： 2153 - 2156 .

LIU J ， LI T ， CHEN H ， et al . Structural characterization and osteogenic activity in vitro of novel polysaccharides from the rhizome of Polygonatum sibiricum ［J］. Food Function ， 2021 ， doi： 10.1039/d1fo00938a http://dx.doi.org/10.1039/d1fo00938a .

CHAI Y ， LUO J ， BAO Y . Effects of Polygonatum sibiricum saponin on hyperglycemia，gut microbiota composition and metabolic profiles in type 2 diabetes mice ［J］. Biomed Pharmacother ， 2021 ， doi： 10.1016/j.biopha.2021.112155 http://dx.doi.org/10.1016/j.biopha.2021.112155 .

LIU B ， TANG Y ， SONG Z ， et al . Polygonatum sibiricum F.delaroche polysaccharide ameliorates HFD-induced mouse obesity via regulation of lipid metabolism and inflammatory response ［J］. Mol Med Rep ， 2021 ， doi： 10.3892/MMR.2021.12140 http://dx.doi.org/10.3892/MMR.2021.12140 .

王婧，陶爱恩，杨燕，等 . 滇黄精中多糖的分离与抗氧化活性研究［J］. 中草药， 2021 ， 52 （ 16 ）： 4789 - 4796 .

张雪可，张虹，章鹏飞，等 . 湖北黄精潜在分布区预测及生态适宜性研究［J］. 中国农业科技导报， 2021 ， 23 （ 8 ）： 185 - 192 .

宋歌，夏娇，肖强 . 湖北黄精叶片挥发油GC-MS分析及抗氧化活性测定［J］. 湖北民族大学学报：自然科学版， 2022 ， 40 （ 4 ）： 374 - 379，384 .

朱巧，邓欣，张树冰，等 . 黄精属6种植物的SSR遗传差异分析［J］. 中国中药杂志， 2018 ， 43 （ 14 ）： 2935 - 2943 .

龙炳宏，蒋向辉，宋荣，等 . DNA条形码在黄精属药用植物鉴定与遗传多样性分析中的应用［J］. 植物科学学报， 2022 ， 40 （ 4 ）： 533 - 543 .

蒋费涛，王书平，祁俊生，等 . 转录组学技术及其在植物系统学上的研究进展［J］. 现代盐化工， 2020 ， 47 （ 4 ）： 14 - 17 .

王飞，刘林波，高天歌，等 . 转录组学在牧草上的应用进展［J］. 草业科学， 2019 ， 36 （ 2 ）： 402 - 413 .

LI D ， WANG Q ， CHEN S ， et al . De novo assembly and analysis of Polygonatum cyrtonema Hua and identification of genes involved in polysaccharide and saponin biosynthesis ［J］. BMC Genomics ， 2022 ， 23 （ 1 ）： 195 .

FENG T ， JIANG Y ， JIA Q ， et al . Transcriptome analysis of different sections of Rhizome in Polygonatum sibiricum Red. and mining putative genes participate in polysaccharide biosynthesis ［J］. Biochemical genetics ， 2022 ， doi： 10.1007/s10528-022-10183-x http://dx.doi.org/10.1007/s10528-022-10183-x .

廖荣俊，杨阳，叶碧欢，等 . 多花黄精根茎的转录组分析与甾体皂苷生物合成相关基因发掘［J］. 中国中药杂志， 2020 ， 45 （ 7 ）： 1648 - 1656 .

祝明珠，俞年军，王秋丽，等 . 基于多花黄精转录组的多糖及薯蓣皂苷生物合成路径研究［J］. 中国中药杂志， 2020 ， 45 （ 1 ）： 85 - 91 .

肖韵铮，韩世明，秦昭，等 . 滇黄精转录组测序及类黄酮合成相关基因的分析［J］. 河南农业大学学报， 2020 ， 54 （ 6 ）： 931 - 940 .

叶碧欢，杨阳，朱杰丽，等 . 基于比较转录组学的多花黄精黄酮类化合物合成基因表达分析［J］. 食品与生物技术学报， 2022 ， 41 （ 4 ）： 84 - 92 .

MICHAEL L ， WOLFGANG H ， SIMON A . Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2 ［J］. Genome Biol ， 2014 ， 15 （ 12 ）： 550 .

吕煜梦，张舒婷，王雪晶，等 . 多花黄精几丁质诱导赤霉素应答基因（CIGR）克隆及其功能［J］. 应用与环境生物学报， 2020 ， 26 （ 2 ）： 255 - 263 .

何连军，干雅平，吕伟德，等 . 高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法测定多花黄精多糖的单糖组成［J］. 中草药， 2017 ， 48 （ 8 ）： 1671 - 1676 .

杜泽飞，陶爱恩，夏从龙，等 . 基于PMP-HPLC和化学计量学的黄精基原物种多糖差异分析［J］. 中国实验方剂学杂志， 2019 ， 25 （ 15 ）： 25 - 29 .

叶香媛，周文彬 . 植物果糖激酶研究进展［J］. 科学通报， 2021 ， 66 （ 22 ）： 2820 - 2831 .

赵历强，赵德蕊，单春苗，等 . 多花黄精果糖激酶和GDP-甘露糖焦磷酸化酶的基因克隆及酶结构性质［J］. 生物学杂志， 2022 ， 39 （ 4 ）： 1 - 6 .

WANG C ， PENG D ， ZHU J ， et al . Transcriptome analysis of Polygonatum cyrtonema Hua： Identification of genes involved in polysaccharide biosynthesis ［J］. Plant Methods ， 2019 ， doi： 10.1186/s13007-019-0441-9 http://dx.doi.org/10.1186/s13007-019-0441-9 .

苏为耿，赵永丰，吴兴兴，等 . 不同种植模式及种植年限对滇黄精产量及品质的影响［J］. 西部林业科学， 2022 ， 51 （ 5 ）： 113 - 117，126 ..

高秋美，任丽华，米真如，等 . 不同光照强度对多花黄精生长及光合特性的影响［J］. 山东农业科学， 2021 ， 53 （ 6 ）： 44 - 47 .

ZHANG J ， CHEN H ， LUO L ， et al . Structures of fructan and galactan from Polygonatum cyrtonema and their utilization by probiotic bacteria ［J］. Carbohydr Polym ， 2021 ， doi： 10.1016/j.carbpol.2021.118219 http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118219 .

ZHAO P ， LI X ， WANG Y ， et al . Characterisation and saccharide mapping of polysaccharides from four common Polygonatum spp .［J］. Carbohydrate Polymers ， 2020 ， doi： 10.1016/j.carbpol.2020.115836 http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.115836 .

KELLEY M ， ROBERT H . Emerging structural insights into glycosyltransferase-mediated synthesis of glycans .［J］. Nat Chem Biol ， 2019 ， doi： 10.1038/s41589-019-0350-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41589-019-0350-2 .

宋春丽，杨海泉，马道程，等 . 果糖基转移酶在大肠杆菌中的重组表达及酶学性质［J］. 生物学杂志， 2018 ， 35 （ 6 ）： 11 - 15 .

NING Y ， XU Y ， JIAO B ， et al . Application of gene knockout and heterologous expression strategy in fungal secondary metabolites biosynthesis ［J］. Marine Drugs ， 2022 ， 20 （ 11 ）： 705 .

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