Multi-omics integration reveals tissue-specific biosynthesis of sesquiterpenoids in the medicinal plant Eupatorium lindleyanum.

چکیده اصلی

BACKGROUND: Eupatorium lindleyanum is a medicinal plant rich in bioactive sesquiterpenoids, yet the genetic and regulatory basis underlying their biosynthesis remains completely unexplored. In particular, the marked tissue-specific accumulation of these compounds-abundant in aerial organs but scarce in roots-lacks a molecular explanation. RESULTS: Here, we integrated UPLC-MS/MS-based metabolomics with RNA-Seq transcriptomics to comprehensively profile sesquiterpenoid metabolites and their associated gene expression signatures across root, stem, leaf, and flower tissues of Eupatorium lindleyanum. A total of 321 sesquiterpenoids were identified, exhibiting distinct tissue-specific accumulation patterns with highest abundance in flower, followed by leaf. Comparative analysis revealed 299 differentially accumulated sesquiterpenoid metabolites (DSMs), which were clustered into three major groups with preferential accumulation in leaf (Cluster 1), flower (Cluster 2), and root (Cluster 3). Transcriptome sequencing generated 99.43 Gb of clean data, yielding 147743 unigenes. Integration of metabolomic and transcriptomic datasets screened 20 structural genes (88 unigenes) involved in sesquiterpenoid biosynthesis, including MVA pathway genes (ACAT, HMGCS, HMGCR, MVK, PMK, MVD), MEP pathway genes (dxs, dxr, ispD, ispE, ispF, ispG, ispH), and downstream modification genes (FDPS, IDI, GAS, GDS, NES1, GAO, FLDH). Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) further prioritized hub genes within modules significantly correlated with key sesquiterpenoids. Additionally, five transcription factor families (AP2/ERF, NAC, WRKY, MYB, and bHLH) were identified as potential regulators based on strong correlations with DSMs accumulation. CONCLUSIONS: This study provides the first comprehensive view of tissue-specific sesquiterpenoid biosynthesis in Eupatorium lindleyanum, establishing a prioritized set of candidate genes and regulators for functional validation. Our findings offer a foundational resource for metabolic engineering and molecular breeding aimed at enhancing the production of pharmacologically active sesquiterpenoids in this medicinal species.

ترجمه فارسی چکیده

پس‌زمینه: اپاتیوم لیندلیانوم گیاهی دارویی غنی از سکوئی‌ترپنوئیدهای فعال زیستی است، اما مکانیزم‌های ژنتیکی و تنظیمی زیربنای سنتز آن‌ها کاملاً ناشناخته است. به‌ویژه، تجمع بافت‌ویژه این ترکیبات که در اندام‌های هوایی فراوان و در ریشه‌ها نادر است، توضیح مولکولی مشخصی ندارد. نتایج: در این مطالعه، ما اومیکس‌مترابولیسم مبتنی بر UPLC-MS/MS را با ترنسکریپتومیکس RNA-Seq ادغام کردیم تا سطوح متابولیت‌های سکوئی‌ترپنوئید و امضاهای بیان ژن مرتبط با آن‌ها در بافت‌های ریشه، ساقه، برگ و گل گیاه اپاتیوم لیندلیانوم پرسپکتیو کامل داشته باشیم. مجموعاً ۳۲۱ سکوئی‌ترپنوئید شناسایی شد که الگوهای تجمع بافت‌ویژه متمایزی داشتند و بیشترین فراوانی را در گل و سپس در برگ داشتند. تحلیل مقایسه‌ای ۲۹۹ متابولیت سکوئی‌ترپنوئید تجمع متفاوت (DSM) را آشکار کرد که به سه گروه اصلی تقسیم شدند که ترجیحاً در برگ (گروه ۱)، گل (گروه ۲) و ریشه (گروه ۳) تجمع داشتند. ترنسکریپتوم‌سنجی ۹۹٫۴۳ گیگابایت داده تمیز تولید کرد که منجر به ۱۴۷۷۴۳ یونوژن شد. ادغام داده‌های اومیکس‌مترابولیسم و ترنسکریپتومیکس ۲۰ ژن ساختاری (۸۸ یونوژن) درگیر در سنتز سکوئی‌ترپنوئید را غربالگری کرد، شامل ژن‌های مسیر MVA (ACAT، HMGCS، HMGCR، MVK، PMK، MVD)، ژن‌های مسیر MEP (dxs، dxr، ispD، ispE، ispF، ispG، ispH) و ژن‌های اصلاحی پایین‌دست (FDPS، IDI، GAS، GDS، NES1، GAO، FLDH). تحلیل شبکه هم‌تعبیر ژن وزن‌دار (WGCNA) ژن‌های هاب را در ماژول‌هایی که با سکوئی‌ترپنوئیدهای کلیدی مرتبط بودند اولویت‌بندی کرد. علاوه بر این، پنج خانواده عامل تنظیمی (AP2/ERF، NAC، WRKY، MYB و bHLH) بر اساس همبستگی قوی با تجمع DSM شناسایی شدند. نتیجه‌گیری: این مطالعه اولین نمای جامع از سنتز بافت‌ویژه سکوئی‌ترپنوئیدها در اپاتیوم لیندلیانوم را ارائه می‌دهد و مجموعه‌ای از ژن‌های نامزد و عوامل تنظیمی را برای تأیید عملکردی ایجاد می‌کند. یافته‌های ما منبع بنیادی برای مهندسی متابولیسم و اصلاح مولکولی جهت افزایش تولید سکوئی‌ترپنوئیدهای دارویی فعال در این گونه دارویی فراهم می‌آورد.

متن کامل اصلی