تجزیه و تحلیل شبکه تنظیمی بیوسنتز متابولیت ثانویه اصلی (SM) در Crocus sativus L.

زعفران (Crocus sativus L.) به عنوان مهمترین گیاه دارویی و منبع تجاری ادویه زعفران مورد استقبال قرار گرفته است. با وجود خواص اقتصادی و دارویی مفید زعفران، مکانیسم تنظیمی همبستگی TFs و ژن‌های مربوط به بیوسنتز مسیر آپوکاروتنوئیدها کمتر آشکار است. اخیراً، داده‌های بیان توان عملیاتی بالا برای ساخت شبکه‌های هم‌تنظیمی برای آشکار کردن فرآیندهای تنظیم‌شده و شناسایی ژن‌های هاب کاندید جدید در پاسخ به فرآیندهای پیچیده بیوسنتز متابولیت‌های ثانویه بسیار امکان‌پذیر بوده است. در اینجا، ما آنالیز شبکه هم‌اظهار ژن وزنی (WGCNA)، یک روش زیست‌شناسی سیستمی را برای شناسایی 11 ماژول تنظیم‌شده و هاب TF مربوط به متابولیت‌های ثانویه انجام دادیم. سه ماژول تخصصی در مسیر آپوکاروتنوئیدها یافت شد.

چندین TF هاب در ماژول های قابل توجه، از جمله MADS، C2H2، ERF، bZIP، HD-ZIP، و پروتئین انگشت روی MYB و HB شناسایی شدند که به طور بالقوه با بیوسنتز آپوکاروتنوئید مرتبط بودند. علاوه بر این، سطح بیان شش TF هاب و شش ژن تنظیم‌شده آپوکاروتنوئیدها با RT-qPCR تأیید شد. نتایج تأیید کرد که TFs هاب به ویژه MADS، C2H2، و ERF دارای همبستگی بالا (05/0< P) و تأثیر مثبت بر ژن‌های تحت کنترل آنها در بیوسنتز آپوکاروتنوئید (CCD2، GLT2، و ADH) در بین اکوتیپ‌های مختلف C. sativus بودند که در آن اکوتیپ‌های متابولیت متابولیت بودند.

تجزیه و تحلیل پروموتر ژن‌های بیان‌شده هم‌زمان از ماژول‌های درگیر در مسیر بیوسنتز آپوکاروتنوئیدها نشان داد که نه تنها ژن‌ها با هم بیان می‌شوند، بلکه موتیف‌های تنظیمی مشترکی به‌ویژه مربوط به TFs هاب هر ماژول را به اشتراک می‌گذارند و ممکن است تنظیم مشترک آنها را توصیف کنند. نتیجه را می توان برای مهندسی متابولیت های ثانویه ارزشمند C. sativus با دستکاری TF های تنظیمی هاب استفاده کرد.

Saffron (Crocus sativus L.) is being embraced as the most important medicinal plant and the commercial source of saffron spice. Despite the beneficial economic and medicinal properties of saffron, the regulatory mechanism of the correlation of TFs and genes related to the biosynthesis of the apocarotenoids pathway is less obvious. Recently, high throughput expression data have been highly feasible for constructing co-regulation networks to reveal the regulated processes and identifying novel candidate hub genes in response to complex processes of the biosynthesis of secondary metabolites. Herein, we performed Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA), a systems biology method, to identify 11 regulated modules and hub TFs related to secondary metabolites. Three specialized modules were found in the apocarotenoids pathway.

Several hub TFs were identified in notable modules, including MADS, C2H2, ERF, bZIP, HD-ZIP, and zinc finger protein MYB and HB, which were potentially associated with apocarotenoid biosynthesis. Furthermore, the expression levels of six hub TFs and six co-regulated genes of apocarotenoids were validated with RT-qPCR. The results confirmed that hub TFs specially MADS, C2H2, and ERF had a high correlation (P < 0.05) and a positive effect on genes under their control in apocarotenoid biosynthesis (CCD2, GLT2, and ADH) among different C.

sativus ecotypes in which the metabolite contents were assayed. Promoter analysis of the co-expressed genes of the modules involved in apocarotenoids biosynthesis pathway suggested that not only are the genes co-expressed, but also share common regulatory motifs specially related to hub TFs of each module and that they may describe their common regulation. The result can be used to engineer valuable secondary metabolites of C. sativus by manipulating the hub regulatory TFs.