高质量基因组组装揭示Impatiens noli-tangere中α-亚麻酸生物合成与代谢挥发物的关键机制

本研究通过Illumina、PacBio和Hi-C技术完成Impatiens noli-tangere的首个染色体级别基因组组装，揭示其通过LTR-RTs消除机制维持基因组稳定性，并发现全基因组复制(WGD)事件对油脂合成的关键贡献。研究人员鉴定出调控α-亚麻酸(ALA)合成的关键转录因子IntbZIP38及其靶基因IntFAD3，同时证实叶片挥发性物质(E)-2-己烯醛具有显著抗真菌活性。该研究为开发天然抗真菌剂和功能性油脂提供了分子基础，发表于《Horticulture Research》。

　　

在植物王国中，Impatiens noli-tangere（俗称“勿碰我”）以其鲜艳的花朵和独特的种子油脂组成引人注目。这种植物种子中含有高达31.6%的α-亚麻酸(ALA)，远超向日葵、芝麻等传统油料作物。ALA作为人体必需脂肪酸，具有调节炎症、支持神经功能等重要生理作用，而其在植物体内衍生的挥发性化合物如(E)-2-己烯醛，还被发现具有抗菌特性。然而，长期以来，科学家们对这种植物高ALA含量的遗传基础及其代谢产物的生物活性机制知之甚少，这严重限制了其在食品、医药和农业领域的开发应用。

为破解这些科学问题，由Yunwei Zhou和Huiyan Gu领衔的研究团队在《Horticulture Research》发表了突破性研究成果。研究采用Illumina短读长、PacBio长读长和Hi-C三维基因组技术完成基因组测序，通过比较基因组学分析揭示进化特征，结合转录组和代谢组数据鉴定关键基因，并利用酵母单杂交(Y1H)、双荧光素酶报告系统(LUC)和转基因技术验证调控机制。抗真菌实验采用微量肉汤稀释法和菌丝生长抑制法评估活性。

基因组测序与组装

研究获得614.46 Mb的高质量基因组，Scaffold N50达59.74 Mb，通过Hi-C技术将92.24%序列锚定到10条染色体上。特别值得注意的是，虽然转座子(TE)占比高达62.16%，但基因组通过高比例的solo LTR-RTs（Gypsy和Copia元件的S/I比值分别达16.30和9.02）维持了相对紧凑的基因组大小。

进化与基因复制分析

系统发育分析表明I. noli-tangere与近缘种I. glandulifera约在26.16 Mya分化。Ks分析和MAPS算法揭示该物种经历两次WGD事件（约100.13和60.88 Mya），其中86个油脂合成相关基因（占42.57%）源自WGD，这些基因在延伸、修饰和组装阶段富集，且在种子中表达量最高（平均TPM=155.95）。

ALA生物合成调控

代谢检测显示种子ALA含量达50.45 mg/g。研究发现WGD衍生的ω-3脂肪酸去饱和酶基因IntFAD3在种子特异性高表达（TPM=8,405），其启动子含有bZIP转录因子结合位点G-box。实验证实IntbZIP38通过结合proIntFAD3激活表达，在烟草中过表达可使ALA含量显著提升，同时抑制同源基因Nta05g09180的表达。

挥发性代谢与抗真菌活性

SPME-GC-MS分析发现叶片中(E)-2-己烯醛占挥发性物质的52.15%，其含量是(Z)-3-己烯醇的17.78倍。过表达13-氢过氧化物裂解酶基因Int13-HPL使烟草中(E)-2-己烯醛增加91.43%。抗真菌实验显示叶片精油对灰霉病菌(Botrytis cinerea)的最低抑制浓度(MIC)为0.375 mL/L，(E)-2-己烯醛的抑制效果更强（MIC=0.188 mL/L，菌丝抑制率83.67%）。

这项研究首次解析了I. noli-tangere基因组特征，阐明WGD事件对油脂合成的贡献，发现IntbZIP38-IntFAD3调控模块控制ALA合成，并证实(E)-2-己烯醛的抗真菌潜力。这些发现不仅为理解植物脂肪酸代谢进化提供新视角，还为开发富含ALA的功能性食品和植物源抗真菌剂奠定了分子基础。特别值得注意的是，该研究揭示的地理种群间挥发性成分差异（中国哈尔滨种群富含(E)-2-己烯醛，而波兰种群以(Z)-3-己烯醇为主），为后续抗真菌活性比较研究提供了重要线索。未来研究可进一步探索不同生态型次生代谢差异的遗传基础，以及ALA合成通路与其他抗逆途径的协同调控机制。