近日，園林學院花卉研究團隊在重要芳香種質神農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，在線發表于國際知名期刊International Journal of Biological Macromolecules（中國科學院1區Top，IF=7.7）。
芳香是植物的重要觀賞性狀，由許多揮發性次生代謝產物組合形成。神農香菊是菊科菊屬的一個狹布野生種，分布在湖北神農架林區的高海拔地帶（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資源。
神農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）等開發利用價值。此外，神農香菊作為改良栽培菊花芳香性狀的重要種質資源，也具有極高的開發潛力。目前，許多研究對神農香菊揮發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物成分如石竹烯、蓽澄茄油烯、側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，制約了對其的開發利用。
針對上述問題，園林學院孫明教授研究團隊利用全長轉錄組和二代轉錄組測序技術，結合基因表達模式分析以及揮發物代謝組聯合分析，對可能參與神農香菊主要萜類化合物合成的關鍵酶基因進行了挖掘。進一步利用AlphaFold 2對關鍵萜類合酶進行了蛋白結構預測，并通過分子對接模擬探究了底物與酶之間的相互作用。借助原核表達技術在大腸桿菌中誘導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。
研究結果發現神農香菊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分別產生反式橙花叔醇和欖香烯等化合物。綜上，該研究結合代謝組學、轉錄組學、生物信息學和分子生物學研究手段，初步解析了神農香菊重要香氣成分如石竹烯、欖香烯合成的分子機制。為進一步解析神農香菊萜類揮發物的代謝網絡奠定了重要基礎，這些鑒定到的萜類合酶基因將有望用于芳香型菊花的分子育種，豐富栽培菊花的觀賞性狀。
神農香菊關鍵萜類合酶基因的挖掘及功能表征
我校園林學院已畢業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基金（32271947）和雄安新區科技創新專項（2022XAGG0100）的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135377
