几个世纪以来，玫瑰花那迷人的香气一直令人着迷。然而由于玫瑰品种多样且香气成分复杂，其基因组的相关研究仍不深入，同时，对于玫瑰的主要香气成分——萜烯，及重要精油成分——香叶醇和香茅醇的合成途径和机制亦未明晰，限制了玫瑰等芳香品种的分子育种及玫瑰精油代谢工程合成生产的发展。

近日，来自华中农业大学的宁国贵教授，联合云南省农科院晏慧君、王继华研究员以及中国农业科学院蔬菜花卉研究所杨树华研究员等研究团队在《Current Biology》期刊（IF=8.1）上发表了题为“Evolution of the biosynthetic pathways of terpene scent compounds in roses”的研究论文。该研究利用比较基因组学、正反向遗传学、转录组学、代谢组学、分子生物学及生物信息学等多种技术，揭示了月季、玫瑰等蔷薇属植物花香萜烯化合物丰富的潜在分子机制。同时系统解析了玫瑰特征性香气成分——玫瑰醇的合成通路及和其在蔷薇属中的合成演化历程。该研究不仅加深了我们对植物萜类芳香化合物生物合成途径的理解，也为芳香植物选育及植物精油生产提供了科学依据和理论参考。

1. 不同玫瑰品种的萜类物质含量及基因组进化差异

为了确定玫瑰品种中萜类成分含量的差异，研究选择了四个代表性的玫瑰品种：紫枝玫瑰（RR, Rosa rugosa 'Zizhi'）、无刺蔷薇（RM, Rosa multiflora 'Wuci'）、月月粉月季（RC, Rosa chinensis 'Old Blush'）、光叶蔷薇（RW, Rosa willmottiae 'Basye's Thornless'）。通过对这些品种花朵中挥发性萜类化合物的检测，发现这四种玫瑰品种在单萜和倍半萜的含量上存在显著差异（图1A）。

对蔷薇属中的两个重要物种——紫枝玫瑰(Rosa rugosa , RR)和无刺蔷薇(Rosa  multiflora , RM)进行了全基因组测序和组装，分别得到RR的基因组大小为880.16 Mb，其中contig N50为5.37 Mb， scaffold N50为59.56 Mb；RM的基因组大小为930.89 Mb，其中contig N50为9.89 Mb， scaffold N50为63.67 Mb；两个基因组分别有98.75%和91.87%的序列锚定到了14条染色体上。基因注释分析发现RR和RM分别包含81535和78167个蛋白编码基因，这些基因在染色体上分布不均匀，且在染色体末端密度较高（图1B）。系统发育分析表明，蔷薇属物种在874万年前开始分化，并在620万年前完成了分化过程（图1C）。比较基因组学分析揭示了基因家族组成存在差异，其中扩张的基因家族显著富集在单萜类、萜类骨架和倍半萜类生物合成通路中（图1D）。

图1：不同玫瑰品种的萜类物质含量及基因组进化差异

2. HMGR和TPS基因家族的扩张及其功能研究

通过比较基因组学分析，发现HMGR和TPS基因家族存在显著扩张（图2），尤其是HMGR限速酶基因和TPS末端基因（图2A~B）。HMGR基因家族在蔷薇属中的扩张源于串联重复，并集中在蔷薇亚科成员共有的HMGR基因侧翼基因组区域（图2C）。扩张的HMGR基因表达水平普遍高于未扩张的同源基因（图3A）。其中，RrHMGR02基因表达水平最高，在其启动子区域含有长末端重复（LTR）转座子插入，并在催化甲羟戊酸生成方面具有保守的功能（图3B）。

从蔷薇科10个物种的基因组中鉴定了437个TPS基因，其中蔷薇属TPS基因数量显著高于蔷薇科的其他属。TPS基因的扩张主要发生在α、β和γ亚家族中，并在蔷薇属中通过串联复制进一步扩增（图2D~E）。在RR基因组中鉴定出52个TPS基因，其中35个可以在花和叶等不同组织中表达（图3C）。通过克隆得到15个TPS基因，并通过体外实验确定了12个RrTPS酶的催化产物（图3D~3E），这些酶能够催化生成多种单萜和倍半萜类化合物，包括芳樟醇、β-反式-桉烯、柠檬烯、α-蒎烯等。

图2：HMGR和TPS基因家族的扩张及其功能研究

图3：HMGR和TPS基因家族的功能研究

3. 香茅醇和香茅醛合成相关基因的鉴定

对RW和RC杂交产生的132个F1代个体进行了分析，母本RC花朵中含有高水平的香茅醇，而父本RW中则不含这种化合物（图4A~B）。通过重测序及GWAS分析鉴定出一个显著的关联位点，该位点跨越约59.93至61.06 Mb的区域，包含87个预测基因（图4C）,其中一个候选基因RcCAD08编码肉桂醇脱氢酶（CAD）。通过比较有香味和无香味的玫瑰品种，发现芳香品种富含香叶醇和香茅醇（图4D）。进一步通过转录组测序分析得到四个差异表达基因：RcCAD08、RcCAD14、RcCAD15和RcCAD23（图4E）。其中RcCAD08和RcCAD14的表达水平与单萜醇（香叶醇和香茅醇）含量相关（图4F）。蛋白质组学分析显示，这四个差异表达基因编码的蛋白质在有香味的玫瑰中水平较高（图4G）。GWAS、转录组和蛋白质组分析均表明RcCAD基因与特定香味成分含量密切相关，通过酶活实验证实所有四种重组RcCAD蛋白在与香茅醛处理后都能产生香茅醇（图4H）。

图4：香茅醇和香茅醛合成相关基因的鉴定

4. 香茅醇和香叶醇合成途径的鉴定及重建

转录组测序分析显示MVA途径基因在花和根中表达较高，而MEP途径基因在叶中表达较高（图5A）。WGCNA共表达分析发现一些候选基因在花中表达相对较高，与HMGR02和HMGR10表达高度正相关（图5B）。体外实验证明RrCAD3和RrCAD4能将香茅醛转化为香茅醇，并且在烟草中过表达这两个基因可以增加香茅醇的产量（图5D~F）。此外，还鉴定出两个香茅醛还原酶（RrGER1和RrGER2）能够将香叶醛转化为香茅醛（图5G）。基于这些发现，构建了一个完整的香茅醇生物合成途径：香叶醇→香叶醛→香茅醛→香茅醇（图5H）。随后通过在烟草中共表达来自罗勒的香叶醇合成酶（GES）、RrCAD3、RrCAD4和RrGER1，成功重建了完整的香叶醇生物合成途径。其中，ObGES + RrCAD3 + RrGER1和ObGES+ RrCAD4 + RrGER1组合产生了最高含量的香叶醇（图5H）。

图5：香茅醇和香叶醇合成途径的鉴定及重建

5. 玫瑰香茅醇合成途径的进化

作者推测，由于从RR和RC克隆的CAD和GER基因具有保守功能，而上游基因的变异可能导致不同玫瑰物种香茅醇含量的差异。在RR基因组的4号染色体上鉴定出6个NUDX1-1a基因，多于RC基因组中的数量。值得注意的是，在不含香叶醇的RW和RM中未检测到NUDX1-1a基因（图6A~B）。RrNUDX1-1a能催化GPP转化为GP。F1群体的重测序和表型数据分析显示，NUDX1-1a基因组区域的覆盖水平与香叶醇和香茅醇含量高度相关。在蔷薇科亚属中，含有香叶醇和香茅醇等香味化合物的物种通常含有一个或多个NUDX1-1a基因（图6C~F）。

图6：玫瑰香茅醇合成途径的进化

本文研究了玫瑰中萜类香气化合物生物合成途径的进化，揭示了萜类香气化合物在玫瑰中的丰富程度与HMGR和TPS基因家族的扩张有关，并通过基因组学、转录组学和代谢组学手段，详细解析了萜类代谢途径，并成功在其他植物中重构了香茅醇和香叶醇的生物合成途径。这项研究加深了我们对植物中萜类香气化合物生物合成途径的理解，不仅提供了丰富的基因组、转录组和代谢组资源，还提供了一种生产香叶醇的新方法。由此将极大地促进芳香植物品种的培育以及玫瑰精油的生产。

参考文献：

Shang J, Feng D, Liu H, et al. Evolution of the biosynthetic pathways of terpene scent compounds in roses[J]. Current Biology, 2024.