《Industrial Crops and Products》：Analysis of a near telomere-to-telomere genome of
Cinnamomum cassia (L.) J. Presl uncovers the genetic mechanism of a phenylpropanoid pathway during phloem development
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肉桂（Cinnamomum cassia (L.) J. Presl）是一种著名的药食两用樟科（Lauraceae）物种，其药用组织为树皮韧皮部，具有极高的经济价值。前期研究鉴定了两个主要的肉桂变种：C. cassia（树皮光滑、薄、灰褐色，嫩枝绿色）与Cin
肉桂（Cinnamomum cassia (L.) J. Presl）是一种著名的药食两用樟科（Lauraceae）物种，其药用组织为树皮韧皮部，具有极高的经济价值。前期研究鉴定了两个主要的肉桂变种：C. cassia（树皮光滑、薄、灰褐色，嫩枝绿色）与Cinnamomum cassia Presl var. macrophyllum Chu（树皮粗糙、厚、红褐色，嫩枝红褐色）。C. cassia var. macrophyllum 较厚的韧皮部积累了更高水平的精油和肉桂醛，赋予其更优的药用品质。作为一种典型的亚热带植物，肉桂的生长受气候条件强烈制约：其在1月进入低温休眠期，并于7月至8月间进入高温高湿的活跃生长期。3月为传统采收期，此时树液流动初起且适中，便于剥皮、减少树体损伤并支持后续再生；相比之下，9月采收的肉桂产量、香气特征和品质更佳，但强烈的形成层活动使树皮与木质部紧密相连，阻碍剥皮并增加植株死亡风险。
肉桂原产于中国南部和越南，广泛栽培于中国、东南亚及热带地区。2025年全球肉桂市场达11.4亿美元，年需求量约25万吨。作为人类最古老的香料之一，肉桂数千年来被用于烹饪调味、食品生产和传统医药。其合成多种生物活性代谢物，包括挥发油、苯丙烷类、黄酮类和萜类，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤和降血糖活性。值得注意的是，肉桂醛占其挥发油的75%–95%，具有强效抗菌和抗氧化活性，在鲜果保鲜方面具有广阔应用前景。
肉桂的健康益处源于其内源活性代谢物。然而，现有研究主要集中于其代谢物谱、药理活性和临床应用，而生物活性化合物生物合成的分子机制仍鲜有表征。高质量参考基因组对于揭示代谢物生物合成的关键调控基因和加速精准育种至关重要。尽管已为众多药用植物生成了此类基因组资源，但肉桂尚无基因组组装报道，这限制了基因组学研究并阻碍了农艺重要性状的分子育种。有证据表明，bHLH、MYB和WRKY转录因子（TFs）调控次生代谢和植物生长，且这些TF家族功能多样。WRKY TFs参与激素信号传导、植物发育和生物/非生物胁迫响应，并促进苯丙烷类、萜类和黄酮类生物合成。NAC TFs调控次生细胞壁形成。MYB TFs在苯丙烷代谢、细胞周期控制、激素信号传导和胁迫适应中发挥多方面作用。bHLH TFs调控植物发育以及黄酮类、花青素和木质素的生物合成。SBP家族TFs也调控生长、胁迫响应和激素信号网络。然而，肉桂韧皮部中次生代谢物生物合成途径及其生长发育调控网络尚未阐明。
在组织水平上，形成层活性决定韧皮部和木质部分化及次生加厚，这一过程受内源植物激素的紧密调控。激素谱呈现季节性变化：抑制生长的ABA在休眠期占主导，而促进生长的IAA和GA共同调控生长恢复和活跃发育阶段。木质物种的季节性形成层和韧皮部动态已有报道。在樟树中，形成层3月至10月活跃，11月至2月休眠；韧皮部分化始于3月中旬，约三周后开始木质部分化，这一节律紧密追踪温度变化。在白栎中，形成层4月初恢复活动，同步形成早材和早期韧皮部；晚材和晚期韧皮部6月初开始形成，形成层活动8月初结束。在肉桂中，对五个采收时间的整合转录组和挥发性代谢组分析表明，树皮厚度和挥发油含量随发育而增加；肉桂醛在种植后120个月（MAP）达到峰值并主导香气谱，而五种萜类在240 MAP达到峰值。尽管取得了这些进展且其经济和药用重要性已有充分记录，但肉桂韧皮部中次生代谢物生物合成途径以及次生韧皮部发育与苯丙烷积累之间的协调调控仍 largely 未被阐明。近年来，木本植物次生生长与次生代谢之间的交互作用日益受到关注。在杨树中，R2R3-MYB PdMYB118 通过结合AC元件调控花青素合成并抑制 PagKNAT2/6b，促进木质素沉积和木质部分化。同一研究组的后续研究证明，毛白杨 PtoPIF3.1/PtoPIF3.2 直接激活 PtoYUC8 和细胞扩张相关基因，通过生长素依赖性调控形成层活性和次生木质部发育来协调茎伸长和木材形成。在栓皮栎中，软木富集的 QsMYB1 可能通过选择性剪接控制软木生物合成，凸显了MYB TFs在木栓形成层调控中的核心功能。对檀香的研究进一步证实，外源细胞分裂素（6-苄氨基嘌呤）同时诱导形成层向心材分化并促进精油、黄酮类和酚类物质的积累；细胞分裂素通过与茉莉酸、乙烯及其他激素的交互作用协调次生代谢。尽管如此，尚无研究系统阐明一组共享TFs如何在芳香木本植物中同步调控韧皮部发育和特定苯丙烷代谢物（如肉桂醛）的生物合成。这一知识空白阻碍了我们对肉桂药用品质形成分子基础的理解。
尽管肉桂具有重要的经济和药用价值，但其特征代谢物生物合成与韧皮部发育相协调的分子机制仍 largely 未被探索。研究人员假设双功能TFs作为核心调控因子，同步协调苯丙烷代谢通量与韧皮部加厚，从而耦合次生代谢与组织发育。为验证这一假设，研究人员通过整合PacBio HiFi、Oxford Nanopore Technologies（ONT）、Illumina和高通量染色质构象捕获（Hi-C）测序，构建了首个肉桂近端粒到端粒（T2T）基因组组装（1158.36 Mb）。基于这一高质量参考基因组，研究人员进行了比较基因组学和系统发育分析，以确定肉桂在樟科中的进化地位。结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）和时间有序基因共表达网络（TO-GCN）分析，利用时间序列转录组学、代谢组学和激素谱分析重建了调控季节性韧皮部生长和活性代谢物积累的调控网络，从而鉴定出协调这两个过程的候选双功能TFs。该研究填补了肉桂基因组资源的空白，并建立了首个解析韧皮部发育与次生代谢共调控的系统框架，为通过分子育种提高药用产量和品质提供了宝贵的基因靶点。
肉桂近端粒到端粒基因组的解析：韧皮部发育与苯丙烷代谢的协同调控机制
一、研究背景与科学问题
肉桂（Cinnamomum cassia (L.) J. Presl）是樟科（Lauraceae）著名的药食两用物种，其药用组织为树皮韧皮部，具有极高的经济价值。全球肉桂市场2025年已达11.4亿美元，年需求量约25万吨。肉桂合成多种生物活性代谢物，包括挥发油、苯丙烷类、黄酮类和萜类，其中肉桂醛占其挥发油含量的75%–95%，具有强效抗菌和抗氧化活性。尽管肉桂具有重要的经济和药用价值，但现有研究主要集中于代谢物谱、药理活性和临床应用，其生物活性化合物生物合成的分子机制仍鲜有表征。此前樟科中已有多个物种完成基因组组装，但肉桂尚无基因组组装报道，这严重阻碍了其重要农艺性状分子机制的解析和分子育种的推进。此外，木本植物次生生长与次生代谢之间的交互作用日益受到关注，但尚无研究系统阐明一组共享转录因子（TFs）如何在芳香木本植物中同步调控韧皮部发育和特定苯丙烷代谢物（如肉桂醛）的生物合成。基于此，研究人员提出假设：双功能TFs作为核心调控因子，同步协调苯丙烷代谢通量与韧皮部加厚，从而耦合次生代谢与组织发育。
二、研究内容与主要结论
为验证上述假设，研究人员整合PacBio HiFi、Oxford Nanopore Technologies（ONT）、Illumina和高通量染色质构象捕获（Hi-C）测序数据，构建了首个肉桂近端粒到端粒（T2T）基因组组装，基因组大小约1158.36 Mb，支架N50达104.08 Mb，锚定率达95.96%，仅存3个未解析缺口，共鉴定21个端粒、12个着丝粒和3个45S rRNA末端。BUSCO完整性评估显示基因组水平达97.9%，蛋白编码基因水平达97.1%。比较基因组分析表明，肉桂与黄樟（Camphora longepaniculata）和牛樟（Cinnamomum kanehirae）约在5935万年前分化，与鳄梨（Persea americana）约在6786万年前分化。全基因组复制（WGD）分析揭示樟科植物在分化前经历了两次古老的WGD事件，且肉桂最近一次WGD事件与物种分化时间吻合。基因家族分析发现，肉桂物种特异性和扩张基因家族显著富集于苯丙烷类、黄酮类和萜类生物合成通路。通过整合转录组学、代谢组学和激素谱分析，研究人员构建了调控季节性韧皮部生长和活性代谢物积累的调控网络，鉴定出6个候选双功能转录因子（WRKY-23、WRKY-30、WRKY-39、SBP-1、SBP-3和Dof-8），这些转录因子与激素信号通路基因和苯丙烷通路结构基因均表现出强共表达关系，可能同时调控韧皮部加厚和差异代谢物积累。
三、关键技术与方法
研究人员选用一株5年生肉桂，采集幼叶和芽进行基因组测序。主要技术方法包括：流式细胞术和K-mer分析估算基因组大小；整合PacBio HiFi、ONT超长读段和Hi-C数据进行混合组装和染色体锚定；基于转录组数据进行基因结构注释，结合多种数据库进行功能注释；BUSCO评估和共线性分析验证组装质量；比较基因组学分析基因家族扩张/收缩和系统发育关系；Ks分布分析鉴定WGD事件；时间序列转录组学、非靶向代谢组学和激素定量分析；加权基因共表达网络分析（WGCNA）和时间有序基因共表达网络（TO-GCN）构建调控网络；转录因子结合位点（TFBS）分析预测上游调控因子。
四、主要研究结果
2.1 近T2T基因组组装： 通过整合多平台测序数据，获得1158.36 Mb的基因组组装，支架N50达104.08 Mb，L50为4，仅3个未解析缺口，连续性优于已发表的樟科基因组。
2.2 端粒和着丝粒鉴定： 在12条染色体上鉴定出21个端粒、12个着丝粒和3个45S rRNA末端，其中仅Chr7的5'端同时缺乏可检测的端粒序列和45S rRNA阵列，支持近T2T基因组的认定。
2.3 基因组注释与质量评估： 共注释32489个蛋白编码基因，重复序列占基因组的56.31%，其中长末端重复（LTR）逆转录转座子占比最大（33.68%）。BUSCO完整性达97.9%，全基因组质量值（QV）为39.03，证实组装具有高连续性、准确性和完整性。
2.4 比较基因组分析： 系统发育分析确定肉桂在樟科中的进化地位，基因家族扩张/收缩分析发现肉桂物种特异性和扩张基因家族显著富集于苯丙烷类、黄酮类和萜类生物合成通路，为解析其特征代谢物的生物合成提供了遗传线索。
2.5 WGD和AEK分析： 四种樟科植物的Ks分布曲线均显示两个峰，表明这些植物在分化前经历了两次古老的WGD事件。肉桂最近一次WGD事件与物种分化时间吻合，提示该事件是肉桂物种形成和分化的关键驱动力。
2.6 结构变异与进化分析： 肉桂与三种樟科植物的比较揭示了2240–4041个共线区域、1586–3263个倒位、690–2114个易位，Chr6上的广泛易位事件可能驱动了物种进化和适应性分化。
2.7 组织特异性积累模式： 肉桂与桂皮肉桂（C. cassia var. macrophyllum）的比较转录组和代谢组分析揭示了174种代表性化合物的组织特异性积累模式，肉桂醛在桂皮肉桂树皮中含量最高。WGCNA鉴定出13个共表达模块，其中蓝色和绿色模块与树皮样本及肉桂醛、精油含量显著正相关。
2.8 季节性解剖和代谢动态： 1月至9月间，形成层长度从33.56±2.18 μm增加至62.51±3.45 μm，形成层细胞层数从5.0±0.6增加至8.3±0.7，韧皮部厚度从1201.98±68.52 μm增加至1401.07±75.36 μm。肉桂醛含量在7月达到峰值（39.03 mg/g），多数苯丙烷类化合物在9月达到较高水平，揭示韧皮部发育的季节性节律调控差异代谢物的积累。
2.9 时空发育调控网络： TO-GCN分析构建了包含10个时间有序层（L1–L10）的调控网络，划分出初始期（M1–M2）、过渡期（M3）和终末期（M7–M9）三个发育阶段。苯丙烷和黄酮基因主要在过渡期和终末期表达，萜类通路基因聚集在初始期和过渡期，激素相关基因在终末期高表达。PAL-2（Chr2_01174）被鉴定为苯丙烷生物合成的关键结构基因，其上游2-kb区域预测到两个WRKY、五个MYB、三个Dof和两个ERF转录因子的结合位点。
2.10 候选双功能转录因子筛选： WGCNA鉴定出12个共表达模块，其中粉色模块的表达水平从1–3月至7–9月逐渐升高，与代谢物和激素趋势一致。该模块包含47个TFs，通过TF–结构基因相关性分析（|r|≥0.7），鉴定出6个候选双功能转录因子（WRKY-23、WRKY-30、WRKY-39、SBP-1、SBP-3和Dof-8）。这些转录因子均位于TO-GCN的L8或L9层，与苯丙烷、黄酮、萜类和激素通路的大多数结构基因以及形成层活性和韧皮部分化的核心标记基因（如PXY、CLE41、APL）表现出强相关性。在桂皮肉桂树皮中的表达水平显著高于普通肉桂。
五、讨论与结论
讨论部分指出，高质量基因组组装对理解经济作物遗传信息和推进分子植物育种至关重要。本研究首次为肉桂生成了染色体级别的近T2T基因组组装，填补了该物种基因组资源的空白。系统发育分析明确了肉桂在樟科中的进化地位，WGD分析揭示两次WGD事件及其与物种分化的时间关联，基因家族扩张分析为解析其特征代谢物的生物合成提供了遗传基础。通过整合基因组学、转录组学和代谢组学，研究人员构建了调控肉桂韧皮部时空发育及其与关键差异代谢物积累协调的调控网络，并鉴定出6个候选双功能转录因子。这些转录因子在韧皮部更厚、活性成分含量更高的桂皮肉桂中表达水平显著更高，进一步支持其在共同促进韧皮部生长和活性成分积累中的作用。研究还提出"季节性环境信号→激素含量变化→转录因子级联激活→苯丙烷通量增加"的分步调控级联模型。与杨树和栓皮栎中MYB家族的主导作用不同，本研究中Dof和SBP家族成员的突出地位可能反映了肉桂韧皮部发育和苯丙烷代谢调控的物种特异性特征，这可能与肉桂以韧皮部而非木质部作为主要药用组织的独特生物学特性相关。这些发现为未来同时提高肉桂药用品质和树皮产量的分子育种提供了重要的分子靶点。
结论部分指出，本研究成功构建了肉桂近T2T高质量参考基因组，基因组大小约1158.36 Mb，锚定率95.96%，鉴定出21个端粒、12个着丝粒和3个45S rRNA末端，BUSCO完整性达97.9%。比较基因组分析揭示肉桂与近缘樟科物种约在5935万年前分化，鉴定出大量物种特异性和扩张基因家族，显著富集于苯丙烷类、黄酮类和萜类生物合成通路。WGD和祖先核型分析表明樟科植物经历了两次古老的WGD事件，肉桂最近一次WGD事件与物种分化时间吻合。整合转录组和代谢组分析揭示了差异代谢物积累的组织特异性和品种依赖性模式。通过WGCNA和TO-GCN分析，系统构建了调控肉桂韧皮部发育和差异代谢物生物合成的动态调控网络，鉴定出6个属于WRKY、SBP和Dof家族的候选双功能转录因子，可能同时调控韧皮部加厚和差异代谢物积累。该研究不仅为肉桂提供了高质量基因组资源，推进了对樟科植物进化和物种形成的理解，还系统阐明了肉桂药用品质形成的时空调控网络和候选基因，为未来分子育种、采收时机优化和差异代谢物积累调控奠定了重要的理论和应用基础。
