《Discover Plants》：Evidence mapping of molecular pathways regulating citral biosynthesis and validation status in Cymbopogon spp.
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柠檬醛是决定香茅属（Cymbopogon）物种特征性香气、品质及工业价值的主要单萜醛类化合物。尽管转录组学、代谢组学及生物化学研究取得了快速进展，但柠檬醛生物合成各阶段所获得的实验支持程度及其与作物改良的相关性仍不明确。本项结构化范围综述遵循PRISMA-Sc
柠檬醛是决定香茅属（Cymbopogon）物种特征性香气、品质及工业价值的主要单萜醛类化合物。尽管转录组学、代谢组学及生物化学研究取得了快速进展，但柠檬醛生物合成各阶段所获得的实验支持程度及其与作物改良的相关性仍不明确。本项结构化范围综述遵循PRISMA-ScR框架，系统描绘了当前关于柠檬醛生物合成通路、通路组分的功能验证、调控机制、环境调控及其对育种和生物技术应用意义的研究证据。研究采用通路–验证–环境互作矩阵（Pathway–Validation–Environment Interaction Matrix）和证据成熟度指数（Evidence Maturity Index，EMI）对84篇符合纳入标准的文献进行了评估，系统评价了各通路组分的实验证据强度。证据综合分析表明，前体供应通路，特别是甲基赤藓醇磷酸（methylerythritol phosphate，MEP）通路及牻牛儿基二磷酸（geranyl diphosphate，GPP）相关步骤，已获得广泛的研究关注，但许多结论仍基于转录本丰度而非直接的功能验证。牻牛儿醇（geraniol）的形成是实验支持最为充分的阶段之一，已有来自生物化学测定、亚细胞定位研究及功能分析的多种证据。近期研究通过酶学表征和瞬时功能研究方法增进了对末端氧化反应的理解。然而，调控网络、代谢流控制、化学型稳定性及基因型–表型关系仍缺乏充分表征。环境条件、基因型效应、采收实践及采后处理通过代谢调控与植物生理之间的相互作用影响柠檬醛积累。未来研究应优先关注功能基因组学、酶动力学、代谢流分析、调控网络验证及整合多组学方法。本证据框架有助于深入理解柠檬醛生物合成，并为香茅属精油的育种策略、代谢工程及品质标准化提供信息支持。
**2 研究方法**
**2.1 综述设计**
本研究采用结构化范围综述方法，系统描绘并综合了香茅属柠檬醛生物合成分子基础的相关已发表证据。综述遵循PRISMA-ScR框架，该框架为识别、筛选、制图及综合异质性文献证据提供了透明的方法路径。选择范围综述设计的原因在于柠檬醛生物合成研究跨越多个学科领域，包括植物分子生物学、生物化学、代谢组学、功能基因组学、生理学、农艺学及育种学。现有证据在实验设计和验证深度方面存在显著差异，使证据图谱方法比定量荟萃分析更为适用。
**2.2 文献检索策略**
系统文献检索使用了Scopus、Web of Science核心合集、PubMed、ScienceDirect和Google Scholar数据库。检索涵盖2010年1月至2026年2月期间发表的文献。采用布尔运算符和受控关键词组合进行检索，代表性检索词包括（"Cymbopogon" OR lemongrass）AND（citral OR geraniol OR monoterpene）、（"Cymbopogon" AND transcriptome）、（"Cymbopogon" AND metabolomics）、（"geraniol synthase" OR "geranyl diphosphate synthase"）、（"citral biosynthesis"）、（"essential oil biosynthesis"）、（"alcohol dehydrogenase"）及（"functional validation"）。同时检查了符合条件文献的参考文献列表，以识别数据库检索未获取的其他相关研究。
**2.3 纳入标准**
研究满足以下一项或多项标准时被纳入：（i）研究了香茅属物种柠檬醛或单萜生物合成的分子机制；（ii）报告了转录组学、基因组学、蛋白质组学、代谢组学、生物化学或功能基因组学证据；（iii）评估了与柠檬醛产生相关的酶、生物合成基因、转录因子或调控通路；（iv）研究了直接影响柠檬醛生物合成或组成的环境调控、发育响应、采收管理或采后效应；（v）使用GC–MS或NMR等经过验证的化学方法对柠檬醛进行了分析表征；（vi）讨论了有分子证据支持的育种、分子标记、化学型表征或品质认证。仅关注药理或抗菌特性而未涉及生物合成的研究、仅报告精油组成而无机制解释的研究、会议摘要、社论、专利、学位论文及非同行评审出版物被排除。
**2.4 研究筛选**
检索记录导入文献管理数据库，去重后进行标题和摘要筛选，随后对潜在相关文献进行全文评估。数据库检索识别286条记录，经去重和资格筛选后，95篇同行评审出版物满足全部纳入标准并纳入证据综合。
**2.5 数据提取**
使用标准化数据图表提取每篇符合条件文献的信息，提取变量包括：发表年份、所研究的香茅属物种、实验方法、组学平台、所评估的基因或酶、生物合成通路区段、验证方法、调控证据、所研究的环境因素、分析方法、育种或品质应用及主要发现。
**2.6 证据图谱**
证据图谱将已发表研究按柠檬醛生物合成的连续阶段进行组织，每项研究被分配至一个或多个生物合成类别，包括前体形成、牻牛儿基二磷酸合成、牻牛儿醇形成、醛类产生、转录调控、环境调节、代谢组学表征及转化应用。图谱方法能够比较生物合成通路不同区段的研究强度，同时识别实验验证仍有限的领域。
**2.7 证据成熟度指数**
开发了证据成熟度指数用于比较不同柠檬醛生物合成通路区段的实验验证深度。权重体系遵循层级证据框架：转录组预测赋值1.0，因为基因表达研究主要识别候选通路组分并提供潜在参与的证据；整合转录组–代谢组研究赋值1.5，因为关联基因表达模式与代谢物积累提供了额外的生物学支持，但因果关系仍未解决；重组酶表征赋值2.0，因为催化活性的直接评估为酶功能提供了生物化学证据；植物体内功能验证赋值最高权重2.5，因为天然生物系统内的遗传操作或生理验证为建立基因、酶与代谢物产生之间的因果关系提供了最强证据。对于每个通路区段，EMI值通过将各证据类别内的研究数量乘以相应证据权重并求和来计算。EMI值被解释为验证深度的比较指标，而非通路确定性的绝对度量。
**2.8 数据综合**
由于研究目的、实验平台、所研究物种、验证方法和报告结果之间存在显著异质性，采用描述性证据图谱而非统计荟萃分析进行证据综合。研究结果按柠檬醛生物合成的连续阶段组织，从前体生成开始，经酶促转化、调控控制、环境调节、代谢组学表征、品质认证至育种应用。比较解释强调从基于转录的预测向生物化学验证和功能遗传验证的推进。
**2.9 方法学局限性**
本综述综合了来自不同实验系统和分析平台的已发表证据。植物材料、发育阶段、分析技术、环境条件和报告标准的差异限制了研究间的直接比较。EMI框架评估实验验证深度而非研究质量、实验稳健性或偏倚风险。权重方案是根据每种方法提供的生物学确认水平不断提高而制定的，但代表性结构化评估框架而非既定的通用评分系统。
**3 结果**
**3.1 证据图谱结果**
**3.1.1 通路区段间的证据分布**
对95篇纳入研究的图谱分析显示，柠檬醛生物合成通路区段间的证据分布不均，分子研究集中于上游质体异戊二烯步骤，特别是MEP通路基因和GPPS，而下游氧化反应获得的生物化学和遗传学研究较少。从头转录组组装和比较表达分析一致识别了香茅属物种中与DXS、DXR及其他MEP通路酶相关的转录本。涉及GPPS的研究通常将转录本丰度分析与不同基因型和环境条件下的精油谱分析相结合，支持其与单萜形成前体供应的关联。牻牛儿醇合酶（GES）的证据已通过酶定位和生物化学表征进一步推进，证明牻牛儿醇形成过程中质体和胞质区室之间的协调活性。牻牛儿醇向牻牛儿醛和橙花醛的下游转化日益受到关注。近期来自香茅属的功能证据通过重组酶测定、病毒诱导基因沉默和瞬时过表达方法证明了ADH的参与。然而，ADH同工酶之间的比较酶动力学分析和生理底物偏好评估仍然有限。EMI分析显示验证深度存在差异而非绝对通路成熟度差异。前体生成和牻牛儿醇形成的验证深度最高，而转录调控和通路整合的验证深度较低。
**3.1.2 方法学类别的验证深度**
在综述数据集（n=95）中，基于转录的推断代表了最大的证据类别。41项研究主要依赖转录本丰度、基因组注释或比较表达分析来识别与柠檬醛生物合成相关的候选基因。21项研究通过GC–MS或NMR-based方法整合了转录组信息与代谢物谱分析。14项研究纳入了生物化学方法，包括重组酶测定和亚细胞定位分析，而8项研究涉及植物体内功能验证或整合基因–代谢物建模。基于GC–MS和NMR的代谢组学研究对化学型分类和组成认证做出了重大贡献，但未独立建立候选基因与柠檬醛积累之间的因果关系。
**3.2 柠檬醛生物合成步骤的功能验证和机制解析**
证据图谱揭示了柠檬醛生物合成各通路区段功能验证进展不均。质体MEP通路是研究最为深入的前体生成模块。香茅属物种的转录组分析反复识别了DXS、DXR和其他异戊二烯通路酶编码基因在精油积累升高的组织中的差异表达。然而，证据仍主要是关联性的，因为转录本丰度不能直接量化通过通路的代谢流。GPP向牻牛儿醇的转化代表了柠檬醛生物合成中解析最充分的酶促步骤。近期研究表明，牻牛儿醇合酶通过生物化学表征和定位分析直接促进牻牛儿醇形成，揭示了质体和胞质代谢过程之间的协同作用。牻牛儿醇向牻牛儿醛和橙花醛的末端氧化与上游反应相比仍不太明确。早期研究主要通过转录本丰度、比较表达模式和与柠檬醛含量的相关性推断ADH的参与。然而，近期的生物化学和遗传学证据扩展了这一解释，通过重组测定、基因沉默和瞬时表达方法提供了候选酶参与柠檬醛形成的功能证据。柠檬醛生物合成的调控控制是实验解析最少的通路组分。转录组学研究已识别了属于AP2/ERF和MYB家族的转录因子与萜烯积累之间的关联，但直接启动子结合测定、染色质分析及候选转录因子的靶向操作在柠檬草中仍然有限。
**3.3 影响柠檬醛积累的环境调控和采后因素**
证据图谱表明，香茅属植物的柠檬醛积累受环境条件、作物管理实践和采后处理的影响，但这些效应的分子解释仍不如通路水平表征深入。在环境变量中，水分可利用性、基因型×环境互作、采收间隔和发育阶段是影响精油产量和柠檬醛组成的最常研究因素。干旱相关响应受到日益关注，因为水分限制同时影响精油生产力和通路基因表达。研究报告了柠檬草品种在干旱易发条件下精油产量的显著基因型×环境互作。转录组证据进一步表明，水分胁迫改变了上游异戊二烯基因和前体可利用性相关基因的表达。然而，现有研究很少在同一实验框架内整合胁迫生理学、转录本丰度、酶活性和代谢物流。采收管理是柠檬醛变异的另一个主要决定因素。评估采收间隔和收割频率的研究已证明香茅属品种间精油产量和组成的変化。采后过程代表了应区别于生物合成调控的独立组成变异来源。干燥条件、储存时间和蒸馏程序影响总油回收率和柠檬醛组分的相对比例。这些变化可能源于采收后的挥发、氧化、酶促降解或化学转化，而非生物合成基因表达的改变。
**3.4 通过EMI分析识别的证据缺口和研究优先事项**
EMI分析揭示了柠檬醛生物合成组分间验证深度的明显差异。与前体形成和牻牛儿醇产生相关的通路区段获得了较高的成熟度评分，因为它们得到多层证据支持，包括转录组谱分析、代谢物关联、酶表征和亚细胞定位研究。相比之下，转录调控、末端氧化控制和基于基因型的预测仍不太发达，因为现有研究以相关性方法为主。EMI分布还表明，可用研究数量不一定与机制解析度相对应。具有大量转录组数据集的路段频繁达到低于由较少但实验更强的研究所代表的区段的验证成熟度。通过EMI框架识别的一个主要缺口涉及香茅属物种遗传验证平台的有限可用性。调控网络是需要更深入研究的另一个领域。当前研究经常通过共表达分析识别AP2/ERF和MYB转录因子，但启动子结合和转录激活的直接证据在香茅属中仍然有限。EMI评估进一步确定了将通路知识与育种应用连接的需求。全基因组关联研究和数量性状位点定位使用多样化香茅属种质资源可以识别控制柠檬醛浓度、牻牛儿醛–橙花醛比率和环境稳定性的基因组区域。
**3.5 证据的定量分布及其对通路优先级的启示**
95篇综述研究的分布显示香茅属柠檬醛生物合成组分的研究焦点不均。研究上游前体生成和单萜形成的研究占可用证据的最大比例，而涉及末端氧化反应、转录调控和预测性育种应用的研究较少。MEP通路代表了研究最频繁的通路区段，占证据图谱中纳入的24项研究。类似地，GPPS相关研究代表16项研究，经常将转录本丰度与不同基因型和环境下的精油组成相关联。牻牛儿醇合酶相关研究显示出不同的证据模式。尽管研究较少（13项研究），该通路区段达到了更高的验证状态，因为近期研究纳入了重组酶测定和亚细胞定位分析。调控转录因子和下游氧化过程观察到最低的证据代表性。只有9项研究检验了转录调控，而醇脱氢酶相关研究占10项研究。这些类别的较低EMI评分反映了有限的实验验证而非生物学重要性的降低。
**4 讨论**
**4.1 柠檬醛生物合成通路的当前解析：从预测到功能验证的进展**
证据综合表明，对香茅属柠檬醛生物合成的理解已从基于转录的通路预测推进到选定酶促步骤的实验验证。综述研究揭示了机制解析的不均匀模式，上游前体形成和牻牛儿醇产生比调控控制和下游氧化过程获得了更多的实验关注。MEP通路代表柠檬草中支持单萜生物合成的主要前体来源。转录组研究一致识别了与DXS、DXR和相关酶相关的基因在产生精油的組織中表达。然而，转录本积累并不直接指示底物可利用性、酶活性或通路流量。牻牛儿醇合酶代表了表征最充分的酶促节点之一，因为实验证据已证明与柠檬草中牻牛儿醇形成相关的酶定位和催化活性。双定位酶活性的鉴定提供了单萜生物合成涉及质体和胞质过程之间协调而非代谢功能完全分离的证据。
**4.2 证据成熟度、方法学局限性和通路缺口的解释**
EMI为比较柠檬醛生物合成组分间的实验支持深度提供了结构化方法。分析表明，通路成熟度主要由生物学验证水平而非特定通路区段可用出版物的数量决定。MEP通路基因和牻牛儿醇形成观察到的相对较高EMI值反映了多种证据类别的可用性。然而，这些成熟度排名应被解释为验证深度的指标，而非通路重要性或生物学控制的直接度量。具有广泛转录组证据的通路组分如果转录本丰度的变化尚未与酶活性、底物转化或代谢流相关联，则可能仍保持机制上未解析的状态。几个方法学因素影响EMI结果的解释。首先，具有广泛转录组研究的通路区段可能显得不太成熟，因为现有研究主要集中在候选识别而非功能确认。其次，已发表研究在植物基因型、发育阶段、环境条件、采样策略和分析方法方面存在差异，限制了证据类别间的直接比较。第三，新兴研究领域可能因功能工具或基因组资源最近才变得可用而具有较少已发表研究。
**4.3 环境调控及生物合成控制与采后修饰的区分**
香茅属的柠檬醛积累源于遗传背景、发育过程、环境条件和采后处理之间的相互作用。证据综合表明，环境研究已产生了关于精油产量和组成变异的丰富信息，但这些响应的分子解释仍不如通路表征发达。水分可利用性是影响柠檬草性能和精油组成的主要环境因素之一。在干旱易发环境下进行的研究已证明品种间精油产量和化学谱的差异，表明对水分限制的基因型依赖性响应。基因型×环境互作是柠檬醛改良的另一个重要考虑因素。多季节和多地点评估表明，柠檬草品种在对比环境下精油生产力和化学稳定性方面存在差异。采收管理通过影响植物发育和代谢活性进一步影响柠檬醛积累。采后加工代表了柠檬醛变异的独立机制，需要与生物学调控仔细区分。干燥、储存时间和蒸馏程序影响精油回收率并改变牻牛儿醛和橙花醛的相对比例。
**4.4 从通路发现到育种应用和预测性栽培**
柠檬醛生物合成知识向育种策略的转化在香茅改良项目中仍处于早期阶段。当前品种开发主要依赖表型评价、精油产量和化学组成谱分析来识别优良基因型。转录组研究已大幅扩展了与香茅单萜生物合成相关的候选基因目录。然而，候选基因的存在或表达本身并不确立其作为育种标记的价值。功能验证代表了通路发现与育种应用之间的必要桥梁。基因组育种方法的发展可进一步加强富含柠檬醛品种的改良策略。全基因组关联研究和QTL定位为识别与柠檬醛浓度、精油产量、化学型稳定性和环境适应性相关的基因组区域提供了潜在框架。单细胞转录组学能够以细胞分辨率表征基因表达，从而识别负责单萜生物合成的特化细胞群体。空间代谢组学通过绘制柠檬醛中间体和相关代谢物在植物组织中的分布来补充这一方法。人工智能辅助分析方法也正在成为整合复杂生物数据集的有价值工具。
**4.5 分析标准化、工业转化和富含柠檬醛的香茅品种可持续生产**
富含柠檬醛的香茅油的商业利用依赖于化学组成的可靠表征、一致的质量属性和能够维持理想化学型的生产系统。证据综合表明，分析方法的发展速度快于生物合成调控的分子理解。GC–MS、NMR光谱和化学计量学方法为基于挥发性谱区分物种、种质和化学型提供了稳健的平台。尽管化学谱分析提供了油组成的准确表征，但这些谱的解释需要考虑导致观察变异的生物学和加工因素。改进的分析分辨率也可以加强对通路活性与工业品质性状之间关系的理解。柠檬醛的工业相关性延伸到食品保鲜、药物制剂、农产品和香精产业。农艺管理也影响柠檬醛生产的一致性和可持续性。评估采收频率、间作系统和气候适应性栽培的研究表明，油产量和组成受基因型、环境和管理实践之间相互作用的影响。
**5 结论**
本范围综述通过整合转录组学、代谢组学、生物化学、环境及育种相关研究，系统描绘了香茅属柠檬醛生物合成的现有证据基础。对95篇出版物的综合表明，生物合成通路的研究进展不均匀。涉及MEP通路和前体生成的上游过程已通过转录组方法得到广泛研究，而与牻牛儿醇氧化和转录调控相关的下游反应仍解析不足。EMI进一步表明，在生物化学验证和亚细胞表征可用的地方通路理解最强，而若干调控组分仍主要得到预测性或相关性证据的支持。近期进展已改善了对柠檬醛形成的机制理解，特别是通过牻牛儿醇相关酶的功能表征以及对质体和胞质区室之间代谢协调的认识。然而，现有证据表明转录本丰度单独不足以定义通路控制点。未来研究应优先关注酶动力学研究、代谢流分析和靶向功能验证。综述还强调，分子发现尚未完全转化为育种应用。当前改良项目仍主要依赖精油产量和化学组成评估，已验证的生物合成标记的整合有限。环境条件和采后过程进一步影响柠檬醛组成，在解释研究间变异时需要仔细考虑。本综述组装的证据为推进香茅研究从描述性通路图谱向柠檬醛生物合成的预测性理解提供了框架。
