蜡梅与柳叶蜡梅叶片和花中TPS基因表达模式与萜类物质含量的关联研究

为解决蜡梅属植物挥发性有机物(VOCs)中萜类合成机制不明的问题，浙江大学的研究团队通过HS-SPME-GC-MS技术结合基因组学分析，揭示了蜡梅(Chimonanthus praecox)与柳叶蜡梅(C. salicifolius)中TPS基因家族的表达规律。研究发现TPS-b亚家族基因在花中高表达促进单萜合成，而TPS-a亚家族通过串联复制在叶片中驱动倍半萜积累，为植物防御机制和药用开发提供新见解。

　　

在植物王国中，蜡梅属(Chimonanthus)植物以其冬日绽放的芬芳花朵闻名，但隐藏在香气背后的分子秘密一直未被完全揭示。这类植物不仅具有观赏价值，其叶片和花朵中的挥发性有机物(VOCs)还具有抗菌、抗炎等药用潜力。然而，究竟是什么基因调控着这些香气物质的合成？为什么叶片和花朵中的萜类成分存在显著差异？这些问题成为解开蜡梅属植物生态适应和药用开发的关键。

为回答这些问题，浙江农林大学风景园林与建筑学院的Wei Zou、Chang Liu等研究人员对蜡梅(Chimonanthus praecox)和柳叶蜡梅(C. salicifolius)展开了系统研究。通过结合挥发性成分检测、基因组分析和转录组测序，团队首次阐明了萜类合成酶(TPS)基因家族的表达规律与萜类物质合成的内在联系，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究主要采用四项关键技术：1) 顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用(HS-SPME-GC-MS)分析花和叶片的VOCs成分；2) 从公开基因组数据库获取蜡梅和柳叶蜡梅的全基因组数据；3) 基于转录组数据(来自NCBI-SRA数据库)分析TPS基因的组织特异性表达；4) 使用DupGen_finder软件鉴定TPS基因的复制类型。

研究结果首先揭示了挥发性成分的差异：通过HS-SPME-GC-MS检测发现，蜡梅花朵中单萜相对含量达67.76%，以芳樟醇(37.47%)和3-蒈烯(29.61%)为主；柳叶蜡梅花朵单萜含量更高达92.62%，主要成分为β-水芹烯(39.22%)。叶片中则同时富含单萜(51.83%-76.75%)和倍半萜(12.71%-34.11%)，这与花中成分形成鲜明对比。

在TPS基因家族分析部分，研究人员从两个物种中分别鉴定出63个(CpTPS1-63)和48个(CsTPS1-48)TPS基因。系统发育分析显示这些基因可分为TPS-a、TPS-b、TPS-c、TPS-e/f和TPS-g五个亚家族。值得注意的是，与拟南芥相比，蜡梅属植物的TPS-b亚家族(参与单萜合成)显著扩张，暗示其在香气形成中的特殊作用。

转录组数据揭示了关键表达模式：TPS-b亚家族基因在花朵中表达显著，如蜡梅的CpTPS58(TPM值1474.50)和柳叶蜡梅的CsTPS13(TPM值1262.99)；而TPS-a亚家族(参与倍半萜合成)主要在叶片中活跃，如CsTPS41(TPM值47.18)。这种组织特异性表达完美解释了挥发性成分的分布特征——花朵富含单萜而叶片同时积累单萜和倍半萜。

在基因复制机制研究中，发现蜡梅有13对、柳叶蜡梅有11对TPS基因通过串联复制(TD)产生。其中5对(CpTPS19/20等)和7对(CsTPS31/32等)复制基因在叶片中协同高表达。特别值得注意的是，CpTPS19/20和CpTPS35/38的Ka/Ks值>1，显示它们受到正选择压力，可能在环境适应中发挥重要作用。

这项研究首次系统阐明了蜡梅属植物TPS基因的表达规律与萜类合成的关联：TPS-b亚家族驱动花朵单萜合成形成香气吸引传粉者，而通过串联复制扩张的TPS-a亚家族促进叶片倍半萜积累以增强防御能力。该发现不仅为理解植物次生代谢调控提供了新视角，也为开发蜡梅属植物的药用价值奠定了分子基础。特别值得注意的是，串联复制在TPS基因功能分化中的关键作用，为研究植物环境适应性进化提供了典型案例。未来研究可进一步探索这些TPS基因在抗虫抗病中的具体功能，为生态农业和植物保护提供新思路。