Pan-Genome und sekundärer Pflanzenstoffwechsel

Was ist sekundärer Stoffwechsel?

Der sekundäre Stoffwechsel, zusammen mit Studien zur Entwicklung und Stressresistenz, bildet drei herausragende Forschungsbereiche im Bereich der Pflanzenwissenschaften. Sekundäre Pflanzenmetaboliten dienen als entscheidende Anpassungen an ihre Umwelt, die aus den Wechselwirkungen der Pflanzen mit biotischen und abiotischen Stressfaktoren während längerer evolutionärer Prozesse entstehen.

Pangenomische Grundlagen der sekundären metabolischen Vielfalt von Pflanzen

Die Forschung beschäftigt sich mit der Identifizierung von Genen und Ganzgenomduplikationen (WGD) als klassische Katalysatoren für die Vielfalt der Stoffwechselwege in Pflanzen, wobei biosynthetische Gencluster (BGCs) synergistisch als Treiber wirken. Der Einfluss von WGD auf die metabolische Vielfalt wurde in zahlreichen Modellorganismen belegt, einschließlich Arabidopsis thalianaTabak, Mohn, Olive sowie mehrere andere modell- und wirtschaftlich bedeutende Arten. Vergleichende Genomik und Pan-genomische Sequenzierung Studien, insbesondere solche, die sich auf die intra-spezifische Variation konzentrieren, haben unser Verständnis der molekularen Grundlagen der metabolischen Vielfalt auf ein beispielloses Niveau gehoben.

Zum Beispiel bei Arten wie Arabidopsis thalianaAhnen-Genduplikationen führen zu zygotischen Genkopien, die funktionell evolvieren, um die Vielfalt der Metaboliten zu fördern. Pan-genomische Forschung hat Korrelationen zwischen der kompakten Anordnung von Triterpenoid-Biosynthese-Genclustern in natürlichen Populationen von offenbart. Arabidopsis thaliana und chromosomale Inversionen. Bei Reis haben die Variationen in der Präsenz-Abwesenheit (PAVs) von Schlüsselgenen des sekundären Stoffwechsels, wie TPS28, CYP71Z21 und CYP71Z2, zu Unterschieden im Ricinolein-Gehalt zwischen verschiedenen Reissorten geführt.

Die gesamte Genomduplikation (WGD) liegt der metabolischen Diversifizierung in Pflanzen zugrunde. (Zhou et al., 2022)

Biosynthetische Gencluster und Hilfsgenen. (Zhou et al., 2022)

Morphinan- und Narcotin-Synthesewege durch genomische Analysen auf Chromosomenebene

In ihrer Studie nutzten die Autoren Hi-C-Daten, um die bestehende Genomkarte des Schlafmohns zu erweitern, und begaben sich gleichzeitig auf die Sequenzierung von zehn verschiedenen Mohnarten mit unterschiedlichen Alkaloidprofilen, wodurch ein umfassendes pan-genomisches Datenset erstellt wurde. Diese Forschung führte zu einer vollständigen Aufklärung der genomischen Standorte und Genexpressionen, die den wichtigen Genen innerhalb des Benzylisoquinolin-Alkaloid (BIA)-Wegs zugrunde liegen.

Gene, die an der BIA-Biosynthese in sechs Geweben des Schlafmohns beteiligt sind. (Li et al., 2020)

Darüber hinaus bot die Studie eine umfassende Untersuchung der komplexen Zusammenhänge zwischen der Genclusterbildung und -verteilung der BIA-Gene, Variationen der Genkopienanzahl (Ploidy-Associated Variations - PAV und Copy Number Variations - CNV) sowie der (Ko-)Expression von Genen, alles im Kontext des Alkaloidgehalts in verschiedenen Mohnsorten. Letztendlich enthüllte die Forschung eine bedeutende Entdeckung: Die Deletion des T6ODM-Tandemwiederholungsgenclusters entsprach dem Fehlen von Morphin und Codein in den jeweiligen Mohnsorten.

Die Ära der pan-genomischen Forschung ist angebrochen, erleichtert durch kosteneffiziente und effiziente Sequenzierung Technologien. Ein vielversprechender Ansatz für die Erforschung liegt in der Neubewertung von Veränderungen innerhalb der Stoffwechselwege (MVA, MEP, BIA usw.) und zentralen Genfamilien (CYP450s, UGTs usw.), die mit wesentlichen Produkten des sekundären Stoffwechsels (Flavonoide, Terpenoide, Alkaloide usw.) verbunden sind. Dies kann erreicht werden, indem Proben von verschiedenen Individuen in größerem Maßstab untersucht werden, wobei Varianten wie ploidieassoziierte Variationen (PAV), Kopienzahlvariationen (CNV), strukturelle Varianten (SV) und mehr berücksichtigt werden, mit dem letztendlichen Ziel, die genetischen Grundlagen zu entdecken, die diesen Unterschieden zugrunde liegen.

Referenzen:

1. Zhou, Xuan und Zhenhua Liu. "Die Entschlüsselung der metabolischen Vielfalt von Pflanzen: Eine (pan-)genomische Perspektive." Pflanzenkommunikation (2022).
2. Li, Qiushi, et al. "Genclusterung und Kopienzahlvariation in den Alkaloidmetabolismuswegen des Schlafmohns." Naturkommunikationen 11.1 (2020): 1190.