3種類のケモタイプを対象としたトランスクリプトーム解析によるデキストロトルマリンボルネオールの生合成に関与する候補遺伝子のマイニング

Mining of candidate genes involved in the biosynthesis of dextrorotatory borneol in by transcriptomic analysis on three chemotypes.

• Zerui Yang
• Wenli An
• Shanshan Liu
• Yuying Huang
• Chunzhu Xie
• Song Huang
• Xiasheng Zheng

抄録

背景:

環状のモノテルペンであるデキストロートリトリーボルネオール（D-borneol）は、効率的な外用鎮痛剤として伝統的な漢方薬に広く使用されています。D-ボルネオールは木の生葉が主な原料であり、水蒸気蒸留法で抽出されますが、収率は低いのが現状です。D-ボルネオールの供給が不十分であるため、長い間、臨床使用や特許レメディウムの生産が妨げられてきました。D-ボルネオールの生物学的合成は、新たなアプローチとして期待されていますが、D-ボルネオールの生合成のメカニズムはほとんど解明されていません。したがって、D-ボルネオールの生合成経路を解明することは重要であり、必要である。

Background: Dextrorotatory borneol (D-borneol), a cyclic monoterpene, is widely used in traditional Chinese medicine as an efficient topical analgesic drug. Fresh leaves of trees, e.g., and , are the main sources from which D-borneol is extracted by steam distillation, yet with low yields. Insufficient supply of D-borneol has hampered its clinical use and production of patent remedies for a long time. Biological synthesis of D-borneol offers an additional approach; however, mechanisms of D-borneol biosynthesis remain mostly unresolved. Hence, it is important and necessary to elucidate the biosynthetic pathway of D-borneol.

結果:

異なるD-ボルネオール生産サンプルの遺伝子発現パターンを比較解析することで、D-ボルネオールの生合成経路を解明することができる。本研究では、D-ボルネオールの含有量が異なる3種類のケモタイプを収集した。テルペノイドの生合成経路については、KEGGアノテーションを用いて82のユニゲンが同定されている。さらに、8,860のユニゲンを差異発現遺伝子（DEG）として定義し、そのうち13のDEGをテルペノイド生合成経路と関連づけた。1-デオキシ-D-キシルロース-5-リン酸合成酵素(DXS)1つとモノテルペン合成酵素2つが、低ボルネオール群と無ボルネオール群に比べて高ボルネオール群で高発現しており、D-ボルネオールの生合成に重要な役割を果たしている可能性があることが示唆された。と同様の発現パターンを示す WRKY 1 個、BHLH 2 個、AP2/ERF 1 個、MYB 3 個の候補遺伝子を同定し、これらの転写因子が D-ボルネオール生合成を制御している可能性を示唆した。最後に、D-ボルネオール生合成経路に関連する候補遺伝子の実際の発現レベルを検出するために定量的リアルタイムPCRを行ったところ、D-ボルネオール生合成に関連する候補遺伝子の発現パターンは、トランスクリプトーム解析で明らかにされた発現パターンと基本的に一致していることが示された。

Results: Comparative analysis on the gene expression patterns of different D-borneol production samples facilitates elucidation on the underlying biosynthetic pathway of D-borneol. Herein, we collected three different chemotypes of , which harbor different contents of D-borneol.A total of 100,218 unigenes with an N50 of 1,128 bp were assembled de novo using Trinity from a total of 21.21 Gb clean bases. We used BLASTx analysis against several public databases to annotate 45,485 unigenes (45.38%) to at least one database, among which 82 unigenes were assigned to terpenoid biosynthesis pathways by KEGG annotation. In addition, we defined 8,860 unigenes as differentially expressed genes (DEGs), among which 13 DEGs were associated with terpenoid biosynthesis pathways. One 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) and two monoterpene synthase, designated as , and , were up-regulated in the high-borneol group compared to the low-borneol and borneol-free groups, and might be vital to biosynthesis of D-borneol in In addition, we identified one WRKY, two BHLH, one AP2/ERF and three MYB candidate genes, which exhibited the same expression patterns as and , suggesting that these transcription factors might potentially regulate D-borneol biosynthesis. Finally, quantitative real-time PCR was conducted to detect the actual expression level of those candidate genes related to the D-borneol biosynthesis pathway, and the result showed that the expression patterns of the candidate genes related to D-borneol biosynthesis were basically consistent with those revealed by transcriptome analysis.

結論:

トランスクリプトームシークエンスを用いて、3種類の異なるケモタイプを解析したところ、D-ボルネオール生合成に関与する3つの構造遺伝子候補（DXS×1、モノテルペン合成酵素×2）と7つの転写因子候補（WRKY×1、BHLH×2、AP2/ERF×1、MYB×3）が同定されました。これらの結果は、D-ボルネオールの生合成に関与する転写因子候補7種（WRKY 1種、BHLH 2種、AP2/ERF 1種、MYB 3種）を明らかにし、D-ボルネオールの生合成に関与する転写因子候補7種（WRKY 1種、BHLH 2種、AP2/ERF 1種、MYB 3種）を明らかにした。

Conclusions: We used transcriptome sequencing to analyze three different chemotypes of , identifying three candidate structural genes (one DXS, two monoterpene synthases) and seven potential transcription factor candidates (one WRKY, two BHLH, one AP2/ERF and three MYB) involved in D-borneol biosynthesis. These results provide new insight into our understanding of the production and accumulation of D-borneol in .

©2020 Yang et al.