水杨酸通过NPR3-WRKY1模块调控菊花中(E)-β-法尼烯生物合成的分子机制

本研究针对植物花香物质(E)-β-法尼烯的生物合成调控机制不明的问题，通过多组学技术揭示了菊花中CmEβFS基因编码关键合成酶，并发现水杨酸(SA)通过CmNPR3-CmWRKY1转录抑制模块负调控该基因表达。该研究首次阐明了植物激素SA调控挥发性有机物(VOCs)合成的分子通路，为花卉香气改良提供了新靶点。

　　

花香是植物与传粉者交流的"化学语言"，也是其经济价值的重要决定因素。在众多芳香成分中，倍半萜类化合物(E)-β-法尼烯((E)-β-farnesene)因其独特的果香特征和生态功能备受关注。这种物质不仅是菊花等观赏植物香气的关键成分，还能作为蚜虫报警信息素发挥防御功能。然而，学界对其生物合成的调控机制，特别是植物激素如何参与这一过程知之甚少。

菊花作为全球重要的观赏植物，其香气类型丰富多样。前期研究发现(E)-β-法尼烯是果香型菊花的标志性成分，但其合成动态与调控网络尚未阐明。更关键的是，作为重要防御激素的水杨酸(SA)是否参与花香调控，以及通过何种分子机制发挥作用，都是亟待解决的科学问题。

研究人员首先通过时空动态分析发现，(E)-β-法尼烯在菊花不同发育阶段和器官中呈现特异性分布模式，尤其在花苞期和花托部位含量最高。扫描电镜显示腺毛的破裂程度与挥发物释放量正相关。转录组测序鉴定出5个候选(E)-β-法尼烯合成酶基因，其中CmEβFS(登录号PQ588680)的表达模式与物质积累高度一致。体外酶活实验证实该基因编码蛋白能特异性催化法尼基焦磷酸(FPP)生成(E)-β-法尼烯，RNAi沉默该基因导致目标物质显著减少。

为解析上游调控机制，研究团队通过酵母单杂交筛选发现WRKY家族转录因子CmWRKY1(登录号PQ588682)能直接结合CmEβFS启动子的W-box motif。双荧光素酶报告系统证实CmWRKY1对靶基因具有转录抑制作用。通过Pull-down联合质谱技术，意外发现SA受体蛋白CmNPR3(登录号PQ588684)能与CmWRKY1互作。双分子荧光互补(BiFC)和免疫共沉淀(Co-IP)进一步验证了这一相互作用。遗传学实验表明，同时沉默CmWRKY1和CmNPR3能协同解除对CmEβFS的抑制，使(E)-β-法尼烯含量提升2.3倍。

内源SA检测显示其含量与(E)-β-法尼烯呈负相关。外源SA处理实验证实，SA通过激活CmNPR3-CmWRKY1模块抑制CmEβFS表达。这一调控模式在花苞期尤为明显，此时低SA水平允许(E)-β-法尼烯大量合成；随着花朵开放，SA积累触发抑制通路，实现香气物质的程序性调控。

主要技术方法包括：1)GC-MS分析不同发育阶段和器官的挥发性成分；2)酵母单杂交筛选与启动子互作的转录因子；3)体外酶活实验验证CmEβFS功能；4)病毒诱导基因沉默(VIGS)构建遗传材料；5)双分子荧光互补和免疫共沉淀验证蛋白互作。

研究结果可归纳为：

1. 1.

   (E)-β-法尼烯是菊花主要香气成分

   通过腺毛观察和GC-MS分析，发现该物质在花托和总苞中含量最高，且其积累与腺毛破裂程度正相关。

2. 2.

   CmEβFS是(E)-β-法尼烯合成关键酶

   体外实验证实该酶特异性催化FPP底物，RNAi株系中目标物质减少67%。

3. 3.

   CmWRKY1负调控香气合成

   该转录因子通过结合靶基因启动子抑制表达，其RNAi株系中(E)-β-法尼烯增加1.8倍。

4. 4.

   SA受体CmNPR3参与调控

   蛋白互作实验揭示CmNPR3与CmWRKY1形成复合物，双沉默株系解除SA抑制效应。

5. 5.

   SA通过NPR3-WRKY1模块调控花香

   内源检测和外源处理证实SA信号通路动态调控香气合成时序。

这项发表在《Molecular Horticulture》的研究首次阐明了SA调控植物花香合成的分子机制，创新性地将植物防御激素信号与次生代谢通路联系起来。理论上，揭示了NPR3-WRKY1这一新型调控模块的工作机制；应用上，为通过激素调控或基因编辑改良花卉香气提供了分子靶点。特别值得注意的是，(E)-β-法尼烯兼具传粉吸引和虫害防御双重功能，该研究为理解植物如何协调繁殖与防御策略提供了新视角。未来研究可进一步探索该通路在不同香气类型菊花中的保守性与变异性，以及其在生态互作中的实际功效。