近日，園林學(xué)院花卉研究團隊在重要芳香種質(zhì)神農(nóng)香菊的芳香性狀形成分子機制解析中取得了新進展，研究成果以“Identification and functional analysis of terpene synthases revealing the secrets of aroma formation in Chrysanthemum aromaticum”為題，在線發(fā)表于國際知名期刊International Journal of Biological Macromolecules（中國科學(xué)院1區(qū)Top，IF=7.7）。
芳香是植物的重要觀賞性狀，由許多揮發(fā)性次生代謝產(chǎn)物組合形成。神農(nóng)香菊是菊科菊屬的一個狹布野生種，分布在湖北神農(nóng)架林區(qū)的高海拔地帶（約2000米以上）。其整株具有濃郁的芳香，被譽為“菊科植物中的薰衣草”，是珍貴的芳香植物種質(zhì)資源。
神農(nóng)香菊特殊的芳香性狀，使其具有了重要的藥用、茶用和日化（精油）等開發(fā)利用價值。此外，神農(nóng)香菊作為改良栽培菊花芳香性狀的重要種質(zhì)資源，也具有極高的開發(fā)潛力。目前，許多研究對神農(nóng)香菊揮發(fā)物的成分進行了鑒定，并對主要成分的生物活性進行了探究。但在其芳香性狀形成分子機理的研究，尤其是對其主要揮發(fā)物成分如石竹烯、蓽澄茄油烯、側(cè)柏酮等萜類化合物的生物合成分子機制的解析方面，嚴重不足，制約了對其的開發(fā)利用。
針對上述問題，園林學(xué)院孫明教授研究團隊利用全長轉(zhuǎn)錄組和二代轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，結(jié)合基因表達模式分析以及揮發(fā)物代謝組聯(lián)合分析，對可能參與神農(nóng)香菊主要萜類化合物合成的關(guān)鍵酶基因進行了挖掘。進一步利用AlphaFold 2對關(guān)鍵萜類合酶進行了蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測，并通過分子對接模擬探究了底物與酶之間的相互作用。借助原核表達技術(shù)在大腸桿菌中誘導(dǎo)了這些萜類合酶的表達，并通過體外酶活試驗，對其催化活性進行了驗證。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)神農(nóng)香菊CaTPS7對香葉基焦磷酸（GPP）和法尼基焦磷酸（FPP）均具有催化活性，CaTPS8，CaTPS10和CaTPS20僅對FPP具有催化活性。CaTPS7和CaTPS20在對FPP的催化活性上存在功能冗余，均能夠催化FPP生成較高含量的β-石竹烯和少量的α-石竹烯。CaTPS8和CaTPS10則能夠催化FPP分別產(chǎn)生反式橙花叔醇和欖香烯等化合物。綜上，該研究結(jié)合代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物信息學(xué)和分子生物學(xué)研究手段，初步解析了神農(nóng)香菊重要香氣成分如石竹烯、欖香烯合成的分子機制。為進一步解析神農(nóng)香菊萜類揮發(fā)物的代謝網(wǎng)絡(luò)奠定了重要基礎(chǔ)，這些鑒定到的萜類合酶基因?qū)⒂型糜诜枷阈途栈ǖ姆肿佑N，豐富栽培菊花的觀賞性狀。
神農(nóng)香菊關(guān)鍵萜類合酶基因的挖掘及功能表征
我校園林學(xué)院已畢業(yè)博士鐘劍為該論文的第一作者，孫明教授為通訊作者。該項研究得到國家自然科學(xué)基金（32271947）和雄安新區(qū)科技創(chuàng)新專項（2022XAGG0100）的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135377
