菊花脑全基因组CYP450基因家族鉴定与挥发性代谢物合成调控机制研究

本研究针对菊花脑（Chrysanthemum indicum）中细胞色素P450（CYP450）超家族功能未知的问题，通过全基因组鉴定、系统发育分析和多组学整合，发现371个CYP450基因分属8个家族，揭示其通过串联复制和片段复制扩张，并鉴定出36个候选基因与47种挥发性有机物合成相关，为菊花分子育种提供关键遗传资源。

　　

菊花作为兼具观赏与药用价值的重要经济作物，其独特香气和药理活性主要源于萜类、黄酮等次生代谢物，而这些化合物的合成关键酶——细胞色素P450超家族（CYP450）在菊花中的特征与功能仍属空白。随着基因组学发展，尽管拟南芥、水稻等模式植物中CYP450研究已较深入，但菊科植物因基因家族扩张导致的代谢多样性机制尚未阐明。尤其菊花脑（Chrysanthemum indicum）作为二倍体模式物种（2n=18），其3.11 Gb基因组中CYP450的进化规律与功能分化亟待解析，这对分子育种和代谢工程至关重要。

北京林业大学国家花卉工程技术研究中心的研究团队通过全基因组尺度分析，结合挥发性代谢组与转录组技术，系统揭示了菊花脑CYP450基因家族的进化特征与功能潜力。研究发现，371个CiCYP450基因分属8个 clans 和44个 families，其中CYP71、CYP706和CYP72为最大家族。基因复制分析显示47个串联重复簇和15个共线性区块驱动了家族扩张，35.58%基因源自复制事件。结构分析发现内含子数量（1-16）和保守基序（如FxxGxRxCxG基序）的显著变异，暗示功能分化。启动子顺式元件预测揭示了其参与生长发育、激素响应和胁迫适应的调控潜力。

研究采用HS-SPME-GC-MS检测根、茎、叶中53种挥发性有机物（VOCs），包括40种萜类和7种脂肪酸衍生物，其中19种为叶片特有；RNA-seq发现248个表达基因中88个根部特异性表达。相关性分析锁定36个候选基因（如CiCYP71-23、CiCYP76-4）与47种VOCs合成显著相关，其中CiCYP74家族可能催化脂肪酸衍生物（如2-己烯醛）生成。KEGG富集显示这些基因主要参与"萜类和聚酮化合物代谢"等通路。

该研究首次绘制了菊花脑CYP450全基因组图谱，揭示基因复制和结构变异是功能多样化的分子基础。发现的候选基因为菊花香气改良和药用成分调控提供了靶点，例如CiCYP706-35与1,8-桉叶素合成的关联为花香定向育种奠定基础。论文发表于《BMC Genomics》，其多组学整合策略为其他非模式植物次生代谢研究提供了范式。未来通过基因编辑验证候选基因功能，将加速菊花分子设计育种进程。

（注：技术方法部分因篇幅限制未展开，主要涉及HMMER域搜索、MCScanX共线性分析、MEME基序预测、PlantCARE顺式元件分析及HS-SPME-GC-MS联用技术等）