AraceaeDB功能基因组数据库的构建及魔芋葡甘露聚糖生物合成关键基因AkCSL3的鉴定与功能研究

本研究针对天南星科植物功能基因组数据缺乏整合平台的问题，构建了首个天南星科功能基因组数据库AraceaeDB，集成了7个物种的基因组数据和118个转录组数据集。研究人员通过共表达网络分析鉴定了与魔芋葡甘露聚糖(KGM)合成高度相关的Brown模块，发现关键基因AkCSL3在球茎膨大期特异性高表达。转基因实验证实AkCSL3过表达可显著提高KGM含量47.59%，揭示了其在KGM聚合过程中的核心作用。该研究为天南星科植物遗传改良提供了重要数据库资源和分子靶点。

　　

在植物王国中，天南星科(Araceae)是一个极具特色的大家族，包含魔芋、芋头等具有重要经济价值的作物。其中，魔芋(Amorphophallus konjac)因其球茎富含的魔芋葡甘露聚糖(Konjac glucomannan, KGM)而备受关注。这种天然高分子多糖因其独特的理化性质和生理功能，在食品、医药和工业领域具有广泛应用。然而，KGM的生物合成途径仍不明确，特别是蔗糖如何被分配到球茎并转化为KGM的过程尚不清楚。与此同时，尽管已完成多个天南星科代表植物的基因组测序，但缺乏一个深入分析和探索这些基因功能的综合数据平台。

西南科技大学生命科学与农林学院的研究人员开展了系统研究，构建了首个天南星科功能基因组数据库AraceaeDB，并利用该数据库资源成功阐明了KGM的主要生物合成途径，鉴定出关键基因AkCSL3。相关研究成果发表在《Horticulture Research》上。研究通过构建共表达网络，发现过表达AkCSL3可显著增加KGM含量，表明其在魔芋球茎中葡甘露聚糖聚合过程中可能起关键作用。

研究采用了多项关键技术方法：1)整合7个天南星科物种的基因组数据和118个转录组数据集构建AraceaeDB数据库；2)使用WGCNA(加权基因共表达网络分析)构建共表达网络；3)通过农杆菌介导法获得AkCSLA3过表达转基因魔芋株系；4)采用DNS法测定KGM含量；5)利用deepDTA深度学习模型预测药用代谢物靶点。

研究结果部分，"Functions of AraceaeDB"展示了数据库的核心功能模块，包括功能基因组学工具、共表达网络、基因维基和药用代谢物等。数据库详细注释了基因功能，基于表达模式将基因分类到不同功能模块，并开发了多种分析工具。"A case study on konjac glucomannan biosynthesis in corms of A. konjac"部分，通过共表达网络分析鉴定出与KGM含量高度相关的Brown模块(r=0.91)，该模块基因在球茎膨大期(第3阶段)显著上调。GO和KEGG富集分析显示这些基因主要参与葡聚糖代谢、淀粉生物合成等过程。研究发现AkCSLA3在球茎膨大期特异性高表达(FPKM值达1551)，而在成熟期(第4阶段)急剧下降至9.3。转基因实验证实，过表达AkCSLA3可使KGM含量增加28.27%-47.59%。

研究结论与讨论部分指出，AraceaeDB填补了天南星科综合数据平台的空白，为相关研究提供了重要资源。在KGM生物合成方面，研究提出了蔗糖主要通过蔗糖合成酶(SUS)而非转化酶(INV)分解的代谢路径，并确定AkCSLA3是KGM聚合过程中的关键酶。特别值得注意的是，AkCSLA3可能通过其质膜定位特性影响KGM的沉积模式。这些发现不仅深化了对KGM生物合成的认识，也为魔芋品质改良提供了重要分子靶点。研究还讨论了CSLA家族功能分化的进化意义，为理解不同植物中葡甘露聚糖的合成调控提供了新视角。