Abstract Soapberry ( Sapindus mukorossi Gaertn.) pericarps are rich in valuable bioactive triterpenoid saponins. However, the saponin content dynamics and the molecular regulatory network of saponin biosynthesis in soapberry pericarps remain largely unclear. Here, we performed combined metabolite profiling and transcriptome analysis to identify saponin accumulation kinetic patterns, investigate gene networks, and characterize key candidate genes and transcription factors involved in saponin biosynthesis in soapberry pericarps. A total of 54 saponins were tentatively identified, including 25 that were differentially accumulated. Furthermore, 49 genes putatively involved in sapogenin backbone biosynthesis and some candidate genes assumed to be responsible for the backbone modification, including 41 cytochrome P450s and 45 glycosyltransferases, were identified. Saponin-specific clusters/modules were identified by Mfuzz clustering and weighted gene co-expression network analysis, and one TF–gene regulatory network underlying saponin biosynthesis was proposed. The results of yeast one-hybrid assay and electrophoretic mobility shift assay suggested that SmbHLH2, SmTCP4, and SmWRKY27 may play important roles in the triterpenoid saponin biosynthesis by directly regulating the transcription of SmCYP71D-3 in soapberry pericarp. Overall, these findings provide valuable information for understanding the molecular regulatory mechanism of saponin biosynthesis, enriching the gene resources, and guiding further research on triterpenoid saponin accumulation in soapberry pericarps. One–sentence summary Combining metabolome and transcriptome analysis to identify saponin kinetic patterns, gene networks, and key candidate genes and transcription factors involved in saponin biosynthesis of soapberry.

Soapberry (Sapindus mukorossi Gaertn.) is a tree species of the family Sapindaceae, the pericarp of which is rich in triterpenoid saponins, which are important in chemical production, biomedicine, and other fields. Cytochrome P450 monooxygenase (CYP450) is involved in the modification of the skeletons of triterpenoid saponins and is linked to their diversity. We previously identified 323 CYP450 genes in the transcriptome of soapberry and screened 40 CYP450 genes related to the synthesis of triterpenoid saponins by gene annotation and conserved structural domain analysis. The genetic structure and phylogeny of the CYP450 genes were analyzed separately. Phylogenetic analysis categorized the CYP450 genes of soapberry into five subfamilies, the members of which had similar conserved cumulative sequences and intron structures. A cis-acting element analysis implicated several genes in the responses to environmental changes and hormones. The expression of several genes during eight periods of fruit development was analyzed by real-time quantitative qRT-PCR; most showed high expression during the first four periods of fruit development, and their expression decreased as the fruits matured. A co-expression network analysis of SmCYP450s and related genes in the triterpenoid saponin synthesis pathway was performed. Correlation analysis showed that 40 SmCYP450s may be involved in saponin synthesis in soapberry. The triterpenoid saponin synthesis-related candidate genes identified in this study provide insight into the synthesis and regulation of triterpenoid saponins in soapberry.

Abstract Background Soapberry ( Sapindus mukorossi ) is an economically important multifunctional tree species. Triterpenoid saponins have many functions in soapberry. However, the types of uridine diphosphate (UDP) glucosyltransferases (UGTs) involved in the synthesis of triterpenoid saponins in soapberry have not been clarified. Results In this study, 42 SmUGT s were identified in soapberry, which were unevenly distributed on 12 chromosomes and had sequence lengths of 450 bp to 1638 bp, with an average of 1388 bp. The number of amino acids in SmUGTs was 149 to 545, with an average of 462. Most SmUGTs were acidic and hydrophilic unstable proteins, and their secondary structures were mainly α-helices and random coils. All had conserved UDPGT and PSPG-box domains. Phylogenetic analysis divided them into four subclasses, which glycosylated different carbon atoms. Prediction of cis- acting elements suggested roles of SmUGT s in plant development and responses to environmental stresses. The expression patterns of SmUGT s differed according to the developmental stage of fruits, as determined by transcriptomics and RT-qPCR. Co-expression network analysis of SmUGT s and related genes/transcription factors in the triterpenoid saponin synthesis pathway was also performed. The results indicated potential roles for many transcription factors, such as SmERF s, SmGATA s and SmMYB s. A correlation analysis showed that 42 SmUGT s were crucial in saponin synthesis in soapberry. Conclusions Our findings suggest optimal targets for manipulating glycosylation in soapberry triterpenoid saponin biosynthesis; they also provide a theoretical foundation for further evaluation of the functions of SmUGT s and analyses of their biosynthetic mechanisms.

Fertilization can improve soil nutrition and increase the yield of Sapindus mukorossi, but the response of soil microbial communities to fertilization treatments and their correlation with soil nutrition and Sapindus mukorossi yield are unclear. In order to investigate the characteristics of soil physicochemical qualities and the bacterial community, we carried out a field experiment comparing various quantities of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) fertilizers to the unfertilized control treatments and the yield of Sapindus mukorossi in raw material forests in response to different applications of fertilizers and to try to clarify the interrelation among the three. Results showed that (1) there are significant differences in the effects of different fertilization treatments on the soil properties of Sapindus mukorossi raw material forests. The increase in the application rates of nitrogen or phosphorus fertilizers significantly reduced the soil pH value. (2) Compared with control, the α-diversity of bacterial communities was significantly lower in N3P2K2 and N1P1K2 treatments. Among the dominant groups of soil bacteria at the phylum level, the relative abundance of Chloroflexi showed an increase and then a decrease trend with the increase in N application. The relative abundance of Firmicutes, Bacteroidota, and Fusobacteriota was positively correlated with the application of P and K fertilizers, while the relative abundance of Acidobacteriota and Verrucomicrobiota decreased with the increase in P and K fertilizers. (3) The N2P2K2 treatment produced the highest sapindus yield (1464.58 kg/ha), which increased by 258.67% above the control. (4) Redundancy analysis (RDA) showed that the primary determinants of bacterial community structure were soil pH, total K, and effective P concentration. (5) Structural equation modeling (SEM) showed that soil nutrient content was the main direct factor driving the yield of Sapindus mukorossi, whereas the bacterial community attributes (e.g., diversity and structure) had minor effects on the yield. In summary, the rational use of formulated fertilization can change the bacterial community structure, improve the bacterial diversity, and increase the soil nutrient content, with the latter exerting a significant effect on the improvement of the yield of Sapindus mukorossi.

Abstract Poplar is an important tree species for ecological protection, wood production, bioenergy and urban greening; it has been widely planted worldwide. However, the catkin fibers produced by female poplars can cause environmental pollution and safety hazards during spring. This study focused on Populus tomentosa , and revealed the sucrose metabolism regulatory mechanism of catkin fibers development from morphological, physiological and molecular aspects. Paraffin section suggested that poplar catkin fibers were not seed hairs and produced from the epidermal cells of funicle and placenta. Sucrose degradation via invertase and sucrose synthase played the dominant role during poplar catkin fibers development. The expression patterns revealed that sucrose metabolism-related genes played important roles during catkin fibers development. Y1H analysis indicated that there was a potential interaction between sucrose synthase 2 (PtoSUS2)/vacuolar invertase 3 (PtoVIN3) and MYB/ bHLH transcription factors in poplar. Finally, the two key genes, PtoSUS2 and PtoVIN3 , had roles in Arabidopsis trichome density, indicating that sucrose metabolism is important in poplar catkin fibers development. This study is not only helpful for clarifying the mechanism of sucrose regulation during trichome development in perennial woody plants, but also establishes a foundation to solve poplar catkin fibers pollution through genetic engineering methods. Highlight Sucrose degradation via invertase and sucrose synthase plays an important role in poplar catkin fibers development, and PtoSUS2 and PtoVIN3 are potential promising targets to solve poplar catkin fibers pollution.