Multi‐omics analysis reveals the evolutionary origin of diterpenoid alkaloid biosynthesis pathways in Aconitum

生物 生物合成 乌头 二萜 基因组 基因 基因复制 转录组 毛茛科 代谢途径 计算生物学 遗传学 生物化学 生物碱 植物 基因表达
作者
Dake Zhao,Ya Zhang,Huanxing Ren,Yana Shi,Ding Dong,Zonghang Li,Guanghong Cui,Yong Shen,Zongmin Mou,Edward J. Kennelly,Luqi Huang,Jue Ruan,Suiyun Chen,Diqiu Yu,Yupeng Cun
出处
期刊:Journal of Integrative Plant Biology [Wiley]
卷期号:65 (10): 2320-2335 被引量:8
标识
DOI:10.1111/jipb.13565
摘要

Diterpenoid alkaloids (DAs) have been often utilized in clinical practice due to their analgesic and anti-inflammatory properties. Natural DAs are prevalent in the family Ranunculaceae, notably in the Aconitum genus. Nevertheless, the evolutionary origin of the biosynthesis pathway responsible for DA production remains unknown. In this study, we successfully assembled a high-quality, pseudochromosome-level genome of the DA-rich species Aconitum vilmorinianum (A. vilmorinianum) (5.76 Gb). An A. vilmorinianum-specific whole-genome duplication event was discovered using comparative genomic analysis, which may aid in the evolution of the DA biosynthesis pathway. We identified several genes involved in DA biosynthesis via integrated genomic, transcriptomic, and metabolomic analyses. These genes included enzymes encoding target ent-kaurene oxidases and aminotransferases, which facilitated the activation of diterpenes and insertion of nitrogen atoms into diterpene skeletons, thereby mediating the transformation of diterpenes into DAs. The divergence periods of these genes in A. vilmorinianum were further assessed, and it was shown that two major types of genes were involved in the establishment of the DA biosynthesis pathway. Our integrated analysis offers fresh insights into the evolutionary origin of DAs in A. vilmorinianum as well as suggestions for engineering the biosynthetic pathways to obtain desired DAs.
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