Fritillaria cirrhosa D. Don (Liliaceae, syn. Fritillaria roylei Hook.) is a critically endangered medicinal herb of immense importance due to its pharmaceutical bioactive compound, especially sipeimine, used for the treatment of chronic respiratory disorders. However, the industrial demand for sipeimine solely depends on its endangered natural habitat. Therefore; there is an utmost need for its biodiversity conservation as well as for the sustainable utilization of phytochemicals. Plant cell culture and transcriptomics-based molecular bioprospection of key regulatory genes involved in sipeimine biosynthesis as such will play a crucial role in exploring the unexplored traits, that are in supply crisis or nearly in extinction stage. De novo comparative transcriptome sequencing of the bulb (in vivo), callus, and regenerated plantlets (in vitro) resulted in more than 150 million high-quality paired-end clean reads that assembled into final 31,428 transcripts. Functional annotation and unigenes classification with multiple public databases such as KEGG, Refseq, Uniprot, TAIR, GO, and COG, etc. along with chemical structures and functional biocatalytic activity analysis of different steroidal alkaloids facilitated the identification of 30 unigenes specific to sipeimine biosynthesis. Additionally, ABC transporters and TFs like bHLH, MYC, MYB, and WRKY suggests their possible role in metabolite translocation and regulation in vivo as well as in vitro tissues. Differential gene expression and quantitative analysis revealed that the MVA pathway probably the predominant route for 5C intermediate (IPP & DMAPP) biosynthesis. Further, the genes involved in the downstream biosynthesis pathway viz. SQLE, CAS1, SMT1, SMO1, SMO2, SC5DL, DHCR7, DHCR24, CYP710A, 3β-HSD, CYP90D2, and CYP374A6 shown similar expression pattern with RNA-Seq and qRT-PCR findings. The positive correlation between higher expression of proposed biosynthetic pathway genes and relatively higher accumulation of sipeimine in differentiated naturally grown bulb tissues (in vivo), undifferentiated cells (callus), and de-differentiated tissues i.e. regenerated plantlets (in vitro) has been evident from the present study. Comprehensive genomic resources created in F. cirrhosa will provide strong evidence of bulb derived in vitro culture as an alternative promising source for steroidal alkaloids biosynthesis and metabolite upscaling through genetic and metabolic engineering.

中文翻译：

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比较转录组分析推断，球茎衍生的体外培养物是肝贝母 D. Don (Liliaceae, syn. Fritillaria roylei Hook.) - 高价值的喜马拉雅药草中 sipeine 生物合成的有希望的来源

Fritillaria cirrhosa D. Don (Liliaceae, syn. Fritillaria roylei Hook.) 是一种极度濒危的药草，由于其药物生物活性化合物，尤其是西培明，可用于治疗慢性呼吸系统疾病。然而，对西培明的工业需求完全取决于其濒危的自然栖息地。所以; 迫切需要保护其生物多样性以及可持续利用植物化学物质。基于植物细胞培养和基于转录组学的分子生物研究，对参与 sipeine 生物合成的关键调控基因进行分子生物学研究，将在探索处于供应危机或接近灭绝阶段的未开发性状方面发挥关键作用。球茎（体内）、愈伤组织、和再生植株（体外）产生了超过 1.5 亿个高质量的双端清洁读数，这些读数组装成最终的 31,428 个转录本。KEGG、Refseq、Uniprot、TAIR、GO和COG等多个公共数据库的功能注释和unigenes分类，以及不同甾体生物碱的化学结构和功能生物催化活性分析，有助于鉴定30个特定于sipeimine生物合成的unigenes。此外，ABC 转运蛋白和 TF，如 bHLH、MYC、MYB 和 WRKY，表明它们可能在体内和体外组织的代谢物易位和调节中发挥作用。差异基因表达和定量分析表明，MVA 途径可能是 5C 中间体（IPP 和 DMAPP）生物合成的主要途径。更多，参与下游生物合成途径的基因，即。SQLE、CAS1、SMT1、SMO1、SMO2、SC5DL、DHCR7、DHCR24、CYP710A、3β-HSD、CYP90D2 和 CYP374A6 显示出与 RNA-Seq 和 qRT-PCR 结果相似的表达模式。已提出的生物合成途径基因的更高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关已经从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。SQLE、CAS1、SMT1、SMO1、SMO2、SC5DL、DHCR7、DHCR24、CYP710A、3β-HSD、CYP90D2 和 CYP374A6 显示出与 RNA-Seq 和 qRT-PCR 结果相似的表达模式。已提出的生物合成途径基因的较高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生小植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关性已从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。SQLE、CAS1、SMT1、SMO1、SMO2、SC5DL、DHCR7、DHCR24、CYP710A、3β-HSD、CYP90D2 和 CYP374A6 显示出与 RNA-Seq 和 qRT-PCR 结果相似的表达模式。已提出的生物合成途径基因的较高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生小植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关性已从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和通过基因和代谢工程升级代谢物的替代有希望的来源。和 CYP374A6 显示出与 RNA-Seq 和 qRT-PCR 发现相似的表达模式。已提出的生物合成途径基因的更高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关已经从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。和 CYP374A6 显示出与 RNA-Seq 和 qRT-PCR 发现相似的表达模式。已提出的生物合成途径基因的更高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关已经从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。已提出的生物合成途径基因的更高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关已经从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。已提出的生物合成途径基因的更高表达与已分化的天然生长的鳞茎组织（体内）、未分化细胞（愈伤组织）和去不同组织即再生植株（体外）中相对较高的西培亚胺积累之间的正相关已经从目前的研究。在 F. cirrhosa 中创建的综合基因组资源将为球茎衍生的体外培养提供强有力的证据，作为甾体生物碱生物合成和代谢物通过遗传和代谢工程升级的替代有希望的来源。