薰衣草萜类代谢关键基因TPS与CYP基因家族共表达网络研究

Lavender is one of the world's leading aromatic plant with the essential oil mainly composed of monoterpenes and sesquiterpenes. The cytochrome P450 family plays an important role in plant terpenoids synthesis.This research take lavender cultivar 'JX2' as test sample, which was bred by our group and focusing on the following research: 1. Transcriptome analysis using the Illumina high-throughput sequencing technologies, finding out important TPS and CYP genes related to terpenoids synthase and getting Modules by WGCNA; 2. GC-MS Analysis of terpenoids metabolism；3. Construction of correlation network between terpenes and principal component in modules and get the modules with significant correlation; 4. qRT - PCR verification of the key genes in the module.This research adopts the RNA - Seq, gas chromatography - mass spectrometry and bioinformatics analysis technology, putting forward three kinds of co-expression network/related network concept in lavandula for the first time , and analyze co-expression network between the TPS and CYP genes. The results of this study would help to elucidate terpenoids synthesis of lavender essential oil, and to lay a good foundation for screening and optimization of varieties and molecular breeding.

薰衣草是世界主要的天然香料植物之一，其精油主要由单萜、倍半萜组成。细胞色素P450家族在植物萜类合成中起着重要作用。本研究利用自主选育的品种‘京薰2号’薰衣草作为试验材料，重点进行以下研究：1、利用Illumina高通量测序技术进行转录组分析，从中筛选萜类代谢通路相关的重要萜类合酶基因TPS及CYP基因，利用WGCNA分析筛选基因模块；2、薰衣草花发育过程精油萜类代谢GC-MS分析；3、利用筛选得到的网络模块主成分和萜类组分的含量进行相关性分析，找出与萜类代谢最相关的模块；4、选取基因共表达网络模块中的关键基因进行qRT-PCR验证。本研究采用RNA-Seq、气相色谱-质谱联用、生物信息分析等技术，首次在薰衣草中提出三种共表达/相关网络的概念，并研究TPS与CYP基因形成的共表达网络结构，研究结果将深入阐明薰衣草精油关键萜烯类成分的合成途径，为品种优化、筛选以及分子育种奠定基础。

薰衣草为唇形科薰衣草属多年生植物，其精油具有重要的经济价值。本研究以狭叶薰衣草Lavandula angustifolia Mill为试材，以气-质联用技术测定不同开花时期薰衣草精油中萜类组分及其含量变化，以转录组测序和权重基因共表达网络分析揭示萜类代谢分子调控，阐释薰衣草基因调控网络-萜类组分的关系，为薰衣草分子育种获得启示。.主要研究结果如下：.1、GC-MS检测不同开花时期的样品中萜类组分56种；聚类和主成分分析表明现蕾期组分最丰富（含55种），β-trans-罗勒烯（20.57%）和(+)-(R)-柠檬烯（17.00%）含量最高；第一轴、第二轴花陆续开放，萜类成分变化均以芳樟醇（17.06%~43.72%）、乙酸芳樟酯（19.35%~32.24%）和乙酸薰衣草酯（11.60%~24.46%）为主。.2、转录组测序获得薰衣草现蕾期、第一轴5个开花期和第二轴5个开花期样品数据量261G，组装出159,337条非冗余unigene。基因功能注释和表达分析获差异表达基因9246个，其中，萜类合成相关基因46个，其中，BOS（罗勒烯合酶基因）、SabS1（香桧烯合酶基因）、PINS（α-蒎烯合酶基因）和TEPS（α-萜品醇合酶基因）在薰衣草中未见报道；.3、9246个差异基因的WGCNA获得21个网络模块，通过对网络模块的KEGG富集分析、模块与萜类组分和开花时期之间的相关性分析，获得萜类合成有关基因、细胞色素P450家族基因等目标基因，且上述基因相互连接度较高，也表明萜类代谢调控与开花调控有关联。且上述基因相互连接度较高，也表明萜类代谢调控与开花调控有关联。.以上结果揭示了薰衣草开花的时间序列动态和萜类合成与释放之间关联，为薰衣草萜类代谢调控机制深入研究和分子育种奠定基础。