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.