Targeted transcriptomics of the Mexican prickly poppy (Argemone mexicana L.) reveals diverse proteins related to benzylisoquinoline alkaloid biosynthesis

Authors

  • José Germán Serrano-Gamboa Centro de Investigación Científica de Yucatán https://orcid.org/0000-0002-1386-8306
  • Jorge Froylán Xool-Tamayo Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada https://orcid.org/0000-0002-5146-6260
  • Lloyd Loza-Muller Centro de Investigación Científica de Yucatán
  • Yahaíra de Jesús Tamayo-Ordóñez Universidad Autónoma de Coahuila
  • Felipe A. Vázquez-Flota Centro de Investigación Científica de Yucatán https://orcid.org/0000-0002-3171-137X

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v69i4.2223

Keywords:

Argemone mexicana, benzylisoquinoline alkaloids, cytochrome P450, dihydrobenzophenantridine oxidase, sanguinarine reductase, tetrahydroprotoberberine oxidase, transcriptomics

Abstract

Abstract. A transcriptomic approach was employed to describe a set of putatively protein-coding sequences involved in the biosynthesis of berberine and sanguinarine, the two major benzylisoquinoline alkaloids (BIA) from Argemone mexicana (L.; Papaveraceae).  A robust de novo assembled transcriptome was obtained from developing seedlings. Initial screening identified 514 unigenes, from eight different Pfam domains, such as Cyt-P450 dependent proteins, which are recurrently involved in BIA biosynthesis. Additional annotation by KEGG Orthology and Gene Ontology supported putative participation of the selected proteins in alkaloid biosynthesis. Moreover, in silico structure prediction of sanguinarine reductase (SanR), dihydrobenzophenantridine oxidase (DHBO) and tetrahydroprotoberberine oxidase (STOX), involved in the last reactions of sanguinarine and berberine biosynthesis, fitted to those of previously characterized proteins from related species, and thus, further supporting proper annotation. Hence, the pipeline analysis presented can provide a comprehensive description of the biosynthetic potential of this plant through functionality associated to its transcripts.

 

Resumen. Un acercamiento transcriptómico se empleó para predecir un conjunto de secuencias condificantes para proteínas presuntamente involucradas en la biosíntesis de dos de los principales alcaloides bencilisoquinlínicos (ABI) en Argemone mexicana (L.; Papaveraceae). Un transcriptoma robusto, se obtuvo de plántulas en desarrollo. Un cribaje inicial identificó 514 unigenes de ocho dominios Pfam diferentes, incluyendo proteínas dependientes del CitP450, que participan en muchas reacciones en la biosíntesis de ABI. Anotaciones adicionales siguiendo la ortología KEGG y Gene Ontology sugirió la participación de un grupo de proteínas en la biosíntesis de alcaloides. Más aún, el modelaje estructural in silico de la sanguinarina reductasa (SanR), dihidrobenzophenantridina oxidasa (DHBO) y tetrahidroprotoberberine oxidase (STOX), responsables de las últimas reacciones de la síntesis de sanguinarina y berberina encajaron los previamente descritos para estas enzimas en otras especies relacionadas, confirmando la asignación recibida en la anotación. De este modo, el análisis bioinformático realizado puede ser útil para la descripción detallada del potencial biosintético de esta planta a través de la caracterización funcional de los candidatos seleccionados.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

José Germán Serrano-Gamboa, Centro de Investigación Científica de Yucatán

Unidad de Biología Integrativa.

Jorge Froylán Xool-Tamayo, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada

ivisión de Biología Experimental y Aplicada.

Unidad de Biología Integrativa, Centro de Investigación Científica de Yucatán.

Lloyd Loza-Muller, Centro de Investigación Científica de Yucatán

Unidad de Biología Integrativa.

Yahaíra de Jesús Tamayo-Ordóñez, Universidad Autónoma de Coahuila

Facultad de Ciencias Químicas.

Unidad de Biología Integrativa, Centro de Investigación Científica de Yucatán.

Felipe A. Vázquez-Flota, Centro de Investigación Científica de Yucatán

Unidad de Biología Integrativa.

References

1. Gbesso, G. H. F.; Gbesso, F. K.; Adoukonou, R. C. F.; Akabassi, G. C.; Padonou, E. A.; Tente, A. B. H. Ethnobot. Res. Appl. 2021, 21, 1–11. DOI: https://doi.org/10.32859/era.21.20.1-11.

2. Priya, C. L.; Rao, Kokati V. B. Int. J. Pharm. Sci. Res. 2012, 36, 2143–48. DOI: http://dx.doi.org/10.13040/IJPSR.0975-8232.3(7).2143-48

3. Rubio-Pina, J.; Vazquez-Flota, F. Curr. Top. Med. Chem. 2013, 13, 2200–2207. DOI: https://doi.org/10.2174/15680266113139990152.

4. Babu, C. K.; Khanna, S. K.; Das, M. Antioxid. Redox Signaling. 2007, 9, 515–525. DOI: https://doi.org/10.1089/ars.2006.1492.

5. Vázquez-Flota, F; Rubio-Piña, J.; Xool-Tamayo, J.; Vergara-Olivares, M.; Tamayo-Ordoñez, Y.; Monforte-González, M.; Guízar-González, C.; Mirón-López, G. Rev. Fitotec. Mex. 2018, 41, 13–21. DOI: https://doi.org/10.35196/rfm.2018.1.13-21.

6. Laines-Hidalgo, J. I.; Muñoz-Sánchez, J. A.; Loza-Müller, L.; Vázquez-Flota, F. Molecules, 2022, 27, 1378. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules27041378.

7. Chang, Y. C.; Chang, F. R.; Khalil, A. T.; Hsieh, P. W.; Wu, Y. C. Zeitschrift für Naturforschung C. 2003, 58, 521–526. DOI: https://doi.org/10.1515/znc-2003-7-813.

8. Gali, K.; Ramakrishnan, G.; Kothai, R.; Jaykar, B. Int. J. Pharmtech. Res. 2011, 3,1329–1333.

9. Nayak, P.; Kar, D. M.; Maharana, L. Pharmacologyonline. 2011, 1, 889–903.

10. Zhang, B. Y.; Chen, M.; Chen, X. C.; Cao, K.; You, Y.; Qian, Y. J.; Yu, W. K. Br. J. Surg. 2021, 108, e9–e11. DOI: https://doi.org/10.1093/bjs/znaa021.

11. Namdeo, A. G.; Jadhav, T. A.; Rai, P. K.; Gavali, S.; Mahadik, K. Phcog. Rev. 2007, 1, 227–231.

12. Isah, T.; Umar, S.; Mujib, A.; Sharma, M. P.; Rajasekharan, P. E.; Zafar, N.; Frukh, A. Plant Cell Tiss. Organ Cult. 2018, 132, 239–265. DOI: https://doi.org/10.1007/s11240-017-1332-2.

13. Yadav, A. N.; Kour, D.; Rana, K. L.; Yadav, N.; Singh, B.; Chauhan, V. S.; Rastegari, A. A.; Hesham, A. E.; Gupta, V. K., in: New and Future Developments in Microbial Biotechnology and Bioengineering: Microbial Secondary Metabolites Biochemistry and Applications. Chapter 20, Vijai Kumar Gupta and Anita Pandey, Elsevier, 2019, 279-320. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63504-4.00020-7.

14. Dasgupta, A.; Chowdhury, N.; De, R. K. Comput. Methods Programs Biomed. 2020, 192, 105436. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2020.105436.

15. Marchev, A. S.; Yordanova, Z. P.; Georgiev, M. I. Crit. Rev. Biotechnol. 2020, 40, 443–458. DOI: https://doi.org/10.1080/07388551.2020.1731414.

16. Yamada, Y.; Sato, F. Biomolecules. 2021, 11, 1719. DOI: https://doi.org/10.3390/biom11111719.

17. Xool-Tamayo, J.; Serrano-Gamboa, G.; Monforte-González, M.; Mirón-López, G.; Vázquez-Flota, F. Biotechnol. Lett. 2017, 39, 323–330. DOI: https://doi.org/10.1007/s10529-016-2250-9.

18. http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc, accessed in October 2023.

19. http://hannonlab.cshl.edu/fastx_toolkit, accessed in January 2024.

20. Schulz, M. H.; Zerbino, D. R.; Vingron, M.; Birney, E. Bioinformatics. 2012, 28, 1086–1092. DOI: https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts094.

21. Simão, F.A.; Waterhouse, R.M.; Ioannidis, P.; Kriventseva, E. V.; Zdobnov, E.M. Bioinformatics, 2015, 31, 3210-3212. DOI: https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv351.

22. Grabherr, M. G.; Haas, B. J.; Yassour, M.; Levin, J. Z.; Thompson, D. A.; Amit, I.; Adiconis, X.; Fan, L.; Raychowdhury, R.; Zeng, Q.; Chen, Z.; Mauceli, E.; Hacohen, N.; Gnirke, A.; Rhind, N.; di Palma, F.; Birren, B. W.; Nusbaum, C.; Lindblad-Toh, K.; Friedman, N.; Regev, A. Nat. Biotechnol. 2011, 29, 644–652. DOI: https://doi.org/10.1038/nbt.1883.

23. Danecek, P.; Bonfield, J. K.; Liddle, J.; Marshall, J.; Ohan, V.; Pollard, M. O.; Whitwham, A.; Keane, T.; McCarthy, S. A.; Davies, R. M.; Li, H. GigaScience. 2021, 10, giab008. DOI: https://doi.org/10.1093/gigascience/giab008.

24. Quinlan, A. R.; Hall, I. M. Bioinformatics. 2010, 26, 841–842. DOI: https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btq033

25. Eddy, S. R. PLoS Computational Biology. 2011, 7, e1002195. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002195.

26. Mistry, J.; Chuguransky, S.; Williams, L.; Qureshi, M.; Salazar, G. A.; Sonnhammer, E. L. L.; Tosatto, S. C. E.; Paladin, L.; Raj, S.; Richardson, L. J.; Finn, R. D.; Bateman, A. Nucleic Acids Res. 2021, 49, D412–D419. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkaa913.

27. Dastmalchi, M.; Park, M. R.; Morris, J. S.; Facchini, P. Phytochem. Rev. 2018, 17, 249–277. DOI: https://doi.org/10.1007/s11101-017-9519-z.

28. Gracz‐bernaciak, J.; Mazur, O.; Nawrot, R. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 12427. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms222212427.

29. Facchini, P. J.; Morris, J. S. Front. Plant Sci. 2019, 10, 1058. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01058.

30. Zhong, F.; Huang, L.; Qi, L.; Ma, Y.; Yan, Z. Plant Mol. Biol. 2020, 102, 477–499. DOI: https://doi.org/10.1007/s11103-019-00959-y.

31. Buchfink, B.; Reuter, K.; Drost, H.-G. Nat. Methods. 2021, 18, 366–368. DOI: https://doi.org/10.1038/s41592-021-01101-x.

32. Aramaki, T.; Blanc-Mathieu, R.; Endo, H.; Ohkubo, K.; Kanehisa, M.; Goto, S.; Ogata, H. Bioinformatics. 2020, 36, 2251–2252. DOI: https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btz859.

33. Kanehisa, M.; Sato, Y. Protein Sci. 2020, 29, 28–35. DOI: https://doi.org/10.1002/pro.3711.

34. Törönen, P.; Medlar, A.; Holm, L. Nucleic Acids Res. 2018, 46, W84–W88. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gky350.

35. Jones D.T.; Taylor W.R. FEBS Lett 1994, 339, 269–275. DOI:10.1016/0014-5793(94)80429-X.

36. Supek, F.; Bošnjak, M.; Škunca, N.; Šmuc, T. PLoS ONE. 2011, 6, e21800. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0021800.

37. Kumar, S.; Stecher, G.; Li, M.; Knyaz, C.; Tamura, K. Mol. Biol. Evol. 2018, 35, 1547–1549. DOI: https://doi.org/10.1093/molbev/msy096.

38. Kelley, L. A.; Mezulis, S.; Yates, C. M.; Wass, M. N.; Sternberg, M. J. E. Nat. Protoc. 2015, 10, 845–858. DOI: https://doi.org/10.1038/nprot.2015.053.

39. Vogel, M.; Lawson, M.; Sippl, W.; Conrad, U.; Roos, W. J. Biol. Chem. 2010, 285, 18397–18406. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.M109.088989.

40. Deng, X.; Zhao, L.; Fang, T.; Xiong, Y.; Ogutu, C.; Yang, D.; Vimolmangkang, S.; Liu, Y.; Han, Y. Hortic. Res. 2018, 5, 29. DOI: https://doi.org/10.1038/s41438-018-0035-0.

41. Hagel, J. M.; Morris, J. S.; Lee, E.-J.; Desgagné-Penix, I.; Bross, C. D.; Chang, L.; Chen, X.; Farrow, S. C.; Zhang, Y.; Soh, J.; Sensen, C. W.; Facchini, P. J. BMC Plant Biol. 2015, 15, 227. DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-015-0596-0.

42. Pei, L.; Wang, B.; Ye, J.; Hu, X.; Fu, L.; Li, K.; Ni, Z.; Wang, Z.; Wei, Y.; Shi, L.; Zhang, Y.; Bai, X.; Jiang, M.; Wang, S.; Ma, C.; Li, S.; Liu, K.; Li, W.; Cong, B. Hortic. Res. 2021, 8, 5. DOI: https://doi.org/10.1038/s41438-020-00435-5.

43. Morris, J. S.; Caldo, K. M. P.; Liang, S.; Facchini, P. J. ChemBioChem. 2021, 22, 264–287. DOI: https://doi.org/10.1002/cbic.202000354.

44. Hagel, J. M.; Beaudoin, G. A. W.; Fossati, E.; Ekins, A.; Martin, V. J. J.; Facchini, P. J. J. Biol. Chem. 2012, 287, 42972–42983. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.M112.420414.

45. Díaz Chávez, M. L.; Rolf, M.; Gesell, A.; Kutchan, T. M. Arch. Biochem. Biophys. 2011, 507, 186–193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.abb.2010.11.016

46. Leong, B. J.; Last, R. L. Curr. Opin. Struct. Biol. 2017, 47, 105–112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sbi.2017.07.005

47. Waki, T.; Takahashi, S.; Nakayama, T. BioEssays. 2021, 43, 2000164. DOI: https://doi.org/10.1002/bies.202000164

48. Loza-Muller, L.; Shitan, N.; Yamada, Y.; Vázquez-Flota, F. Planta. 2021, 254, 122. DOI: https://doi.org/10.1007/s00425-021-03780-4

49. Kato, N.; Dubouzet, E.; Kokabu, Y.; Yoshida, S.; Taniguchi, Y.; Dubouzet, J. G.; Yazaki, K.; Sato, F. Plant Cell Physiol. 2007, 48, 8–18. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcl041.

50. Yamada, Y.; Kokabu, Y.; Chaki, K.; Yoshimoto, T.; Ohgaki, M.; Yoshida, S.; Kato, N.; Koyama, T.; Sato, F. Plant Cell Physiol. 2011, 52, 1131–1141. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcr062.

×

Downloads

Published

2025-10-01

Issue

Section

Regular Articles
x

Similar Articles

1 2 3 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.

Loading...