茉莉酸甲酯通过激活OPR基因调控草本芍药中β-香茅醇合成的分子机制

为解决草本芍药(Paeonia lactiflora)花香强度不足的问题，西北农林科技大学团队开展茉莉酸甲酯(MeJA)调控β-香茅醇(β-citronellol)合成的研究。通过激素处理、基因功能验证和启动子分析，发现MeJA通过CGTCA顺式元件激活PlOPR2表达，显著提升主要花香成分β-香茅醇含量。该研究为花卉香气品质改良提供新靶点，发表于《Industrial Crops and Products》。

　　

花香是观赏植物的重要品质特征，但多数草本芍药品种花香淡弱，严重制约其商业价值。β-香茅醇作为芍药主要花香成分，其合成调控机制尚不明确。与此同时，外源激素茉莉酸甲酯(MeJA)虽被证实可增强多种植物挥发性有机物排放，但其对芍药花香的影响及其分子机制仍属空白。

西北农林科技大学的研究团队以高香型芍药品种'Wu Hua Long Yu'为材料，系统解析了MeJA调控β-香茅醇合成的分子通路。研究发现MeJA处理能显著提升花瓣中β-香茅醇含量，其中S2(半开期)处理效果最佳。通过转录组分析和基因功能验证，鉴定出5个12-氧代植物二烯酸还原酶(OPR)家族基因，其中PlOPR2、PlOPR3和PlOPR5具有催化香叶醇(geraniol)转化为β-香茅醇的功能。进一步实验揭示PlOPR2启动子中的CGTCA motif是MeJA响应的关键顺式元件。该研究为花卉香气品质改良提供了新靶点和理论依据，成果发表于《Industrial Crops and Products》。

研究采用多组学联用技术：通过LC-QTRAP-MS(液相色谱-四极杆离子阱质谱)分析内源激素，HS-SPME-GC-MS(顶空固相微萃取-气相色谱质谱)检测挥发性有机物；运用病毒诱导基因沉默(VIGS)技术验证基因功能；结合亚细胞定位和体外酶活实验明确蛋白特性；采用启动子缺失分析和GUS报告系统鉴定调控元件。

3.1 内源JA含量与花香释放密切相关
通过五个发育阶段(S1-S5)和七种器官的激素检测，发现茉莉酸(JA)含量变化趋势与β-香茅醇释放峰值高度一致，均在盛花期(S3)达到最高。

3.2 MeJA影响内源JA合成和挥发性物质释放
100 μM MeJA处理使总挥发性物质增加12.7倍，其中β-香茅醇占比达90.75%。同时检测到香叶醇减少和中间产物柠檬醛(citral)、香茅醛(citronellal)积累，提示存在多步转化途径。

3.3 β-香茅醇合成与OPR基因上调强相关
转录组数据筛选出19个候选基因，其中PlOPR1-5表达模式与β-香茅醇含量显著正相关(P<0.01)。

3.4 PlOPR2/3/5参与β-香茅醇合成
体外酶活实验证实这三个蛋白可将香叶醇直接还原为β-香茅醇，同时产生少量中间产物。

3.5 PlOPRs生化特性揭示功能多样性
系统发育分析将PlOPR1归类于JA合成相关的AtOPR3分支，而PlOPR2-5与AtOPR1/2聚为一类。亚细胞定位显示PlOPR2独特定位于叶绿体和细胞质。

3.6 烟草过表达验证PlOPR2功能
在稳定表达香叶醇合成酶(PlTPS1)的烟草中，PlOPR2过表达导致香叶醇减少并检测到β-香茅醇生成。

3.7 基因沉默改变代谢物谱
VIGS沉默PlOPR2使花瓣中香叶醇增加3.2倍，β-香茅醇降低67%，证实其核心催化作用。

3.8 CGTCA motif介导MeJA响应
启动子分析发现两个CGTCA顺式元件，突变实验显示其共同决定MeJA诱导的转录激活。

3.9 PlOPR1特异性调控JA合成
沉默PlOPR1使内源JA降低58%，而过表达使其增加2.3倍，与β-香茅醇合成途径分离。

该研究首次阐明MeJA通过CGTCA motif-PlOPR2模块增强芍药花香的分子机制，提出β-香茅醇合成的双途径模型：既可通过香叶醇→柠檬醛→香茅醛→β-香茅醇的多步转化(Pathway B)，也存在香叶醇直接还原的单步途径(Pathway C)。PlOPR2因其独特的叶绿体定位优势，成为连接MeJA信号与花香合成的关键节点。

这项发现具有重要应用价值：确定S2期为最佳处理窗口，100 μM为最适浓度，为切花生产提供精准调控方案。理论上，突破了对OPR基因"一酶双功能"的认知，为植物特殊代谢物合成进化研究提供新案例。未来可通过多品种验证建立普适性模型，并探索MYC2等转录因子在调控网络中的角色，为分子设计育种奠定基础。