تجزیه و تحلیل ترنسکریپتوم آنزیم‌های جدیدی را برای بیوسنتز آپوکاروتنوئیدها در زعفران آشکار می‌کند و امکان ساخت مسیر سنتز کروستین در مخمر را فراهم می‌آورد

زعفران (Crocus sativus) به‌طور کلی به‌عنوان منبع ادویه زعفران شناخته می‌شود که غنی از ترکیبات آپو-کاروتنوئیدی مانند کروسین‌ها، کروستین، پیکروکروسین و سافرنال است و دارای فعالیت‌های دارویی مؤثر می‌باشند. با این حال، اطلاعات کمی در مورد ژن‌های دقیق دخیل در سنتز آپو-کاروتنوئید در زعفران و مکانیسم احتمالی تجمع ویژه آن در خامه گل وجود دارد. در این مطالعه، ما خامه‌های گل را در مراحل مختلف رشد جمع‌آوری کردیم تا تجزیه و تحلیل‌های عمیق ترنسکریپتوم و متابولوم پویا را انجام دهیم و مراحل کاتالیزوری کلیدی احتمالی دخیل در سنتز آپو-کاروتنوئید در زعفران را کشف کنیم. در مجموع 61,202 یونیک ژن به‌دست آمد و پس از تحلیل شبکه هم‌بیانی، 28 تنظیم‌کننده و 32 ژن کاروتنوژنیک احتمالی شناسایی شد.علاوه بر این، پیش‌بینی شد که ۱۵ ژن کاندید به تولید سافرنال و کروکین مرتبط باشند، که در میان آن‌ها یک دیهیدروژناز آلدهید (CsALDH3) برای اکسید کردن دی‌آلدهید کروستین به کروستین تایید شد و یک سویه مخمر تولیدکننده کروستین ایجاد گردید. علاوه بر این، یک مسیر شاخه‌ای جدید که تبدیل پیروفسفات ژرانیل-ژرانیل به کوپالول و انت-کاورن را توسط سنتاز دی‌ترپن کلاس II یعنی CsCPS1 و سه سنتاز دی‌ترپن کلاس I یعنی CsEKL1/2/3 کاتالیز می‌کند، برای اولین بار مورد بررسی قرار گرفت. چنین نقشه‌های ژنی به آپو-کاروتنوئید، ویژگی‌های سنتزی و تنظیم‌کننده‌های بیوسنتز آپو-کاروتنوئید را روشن می‌سازد و پایه‌ای برای درک عمیق مکانیزم بیوسنتز و مهندسی متابولیکی آپو-کاروتنوئیدها در گیاهان یا میکروب‌ها فراهم می‌کند.

Crocus sativus is generally considered the source of saffron spice which is rich in apo-carotenoid compounds such as crocins, crocetin, picrocrocin, and safranal, which possess effective pharmacological activities. However, little is known about the exact genes involved in apo-carotenoid biosynthesis in saffron and the potential mechanism of specific accumulation in the stigma. In this study, we integrated stigmas at different developmental stages to perform in-depth transcriptome and dynamic metabolomic analyses to discover the potential key catalytic steps involved in apo-carotenoid biosynthesis in saffron. A total of 61 202 unigenes were obtained, and 28 regulators and 32 putative carotenogenic genes were captured after the co-expression network analysis. Moreover, 15 candidate genes were predicted to be closely related to safranal and crocin production, in which one aldehyde dehydrogenase (CsALDH3) was validated to oxidize crocetin dialdehyde into crocetin and a crocetin-producing yeast strain was created. In addition, a new branch pathway that catalyses the conversion of geranyl-geranyl pyrophosphate to copalol and ent-kaurene by the class II diterpene synthase CsCPS1 and three class I diterpene synthases CsEKL1/2/3 were investigated for the first time. Such gene to apo-carotenoid landscapes illuminate the synthetic charactersistics and regulators of apo-carotenoid biosynthesis, laying the foundation for a deep understanding of the biosynthesis mechanism and metabolic engineering of apo-carotenoids in plants or microbes.