Whole Genome Assembly and Full-Length Transcriptome Sequencing of the Uncaria rhynchophylla Provides Insights into Genetic Control of Bioactive Alkaloid Biosynthesis

生物 转录组 基因组 康蒂格 从头转录组组装 顺序装配 计算生物学 全基因组测序 药物发现 基因 遗传学 异源表达 基因复制 基因组学 功能基因组学 代谢途径 次生代谢物 DNA测序 代谢工程 表达序列标记 基因组编辑 生物合成 生物信息学
作者
Wanqiu Liu,Mengting Yuan,Eryan Guo,Yongyong Zhou,Jie Zhang,W. Liu,Feng Feng,Jian Xu
出处
期刊:Journal of Natural Products [American Chemical Society]
卷期号:89 (2): 625-638
标识
DOI:10.1021/acs.jnatprod.5c01442
摘要

The medicinal plant Uncaria rhynchophylla is valued for producing tetracyclic oxindole alkaloids, including the neuro- and cardioprotective alkaloids rhynchophylline (RIN) and isorhynchophylline (IRN). However, the genomic and genetic basis of alkaloid biosynthesis remains poorly elucidated. Here, we report a chromosome-level genome assembly (653.3 Mb, contig N50 = 24.61 Mb) for U. rhynchophylla, revealing high repetitive content (63.71%) and 30,200 annotated genes. Evolutionary analysis uncovered an ancient whole-genome duplication event and species-specific gene families that could be potentially linked to metabolic diversification. Full-length transcriptome sequencing highlighted tissue-specific expression patterns with hooks showing strong enrichment of alkaloid-biosynthetic genes. A CYP71 family member, UrCYP13, was identified and exhibited high hook-specific expression. Heterologous expression in Nicotiana benthamiana confirmed that UrCYP13 catalyzes the conversion of hirsutine (1) to RIN (2) and IRN (3). The high-quality genome and transcriptome provide a platform for RIN/IRN discovery and establish that UrCYP13 is a key enzyme in the helical oxyindole pathway with hook-specific expression and post-transcriptional regulation underlying metabolite accumulation. These genomic resources will facilitate functional genomics, evolutionary studies, and the sustainable biotechnological production of these valuable alkaloids.
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