中圖分類號:S722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-1498(2025)03-0029-10
DOI:10.12403/j.1001-1498.20240247
紫花含笑(MicheliacrassipesY.W.Law)系木蘭科(Magnoliaceae)含笑屬(Michelia),通常呈小喬木或灌木狀,其花朵生于葉腋處,極香?;ò瓿首霞t色或深紫色,長橢圓形,花被片6枚,花期為4月—5月,果期則在8月—9月[1。紫花含笑作為含笑屬中唯一開紫色花的物種,極具觀賞價值,濃郁的花香常吸引游人駐足。目前,紫花含笑的研究主要集中在傳粉學(xué)[2]、育種學(xué)[3]、遺傳學(xué)[以及花色形成機(jī)理[5等方面。然而,其花香形成的分子機(jī)制研究仍然空白。
花香是由多種低分子量揮發(fā)性化合物的復(fù)雜混合物所決定的性狀,對植物吸引昆蟲進(jìn)行授粉具有重要作用。紫花含笑的揮發(fā)性物質(zhì)主要分布在花器官基本薄壁組織中的顆粒狀內(nèi)含物和油細(xì)胞內(nèi)。紫花含笑花的揮發(fā)性成分主要包括萜烯類、苯丙類/苯類和脂肪酸類3類有機(jī)化合物[8。其中,萜烯類化合物在紫花含笑花瓣揮發(fā)性物質(zhì)中含量最高[9]。α-愈創(chuàng)木烯、 β -石竹烯和大根香葉烯B等萜類化合物是紫花含笑花香形成的重要揮發(fā)性物質(zhì)[10]
萜烯合酶(terpenesynthase,TPS)是合成萜類化合物的關(guān)鍵酶,決定了萜類化合物的多樣性[11]。TPS直接催化底物香葉酰二磷酸(geranylgeranyldiphosphate,GPP,C10)、法呢基二磷酸(farnesyldiphosphate,F(xiàn)PP,C15)和香葉基香葉基焦磷酸(geranylgeranyldiphosphate,GGPP,C20)合成單萜、倍半萜和雙萜類化合物[12]。單萜和倍半萜是多種植物香氣形成的關(guān)鍵物質(zhì),TPS基因家族在調(diào)控植物香氣形成中發(fā)揮重要作用。在不同植物中,TPS基因家族的成員具有特定的功能。在香椿(ToonasinensisRoem.)中,TsTPS18能夠調(diào)控石竹烯的合成[13]。在西伯利亞'百合(LiliumSiberia')中,LiTPS2能夠調(diào)控百合關(guān)鍵性花香成分芳樟醇、月桂烯和(E)-β-羅勒烯的和合成[14]。在小蒼蘭(Freesiahybrida)中,F(xiàn)hTPS1基因調(diào)控小蒼蘭關(guān)鍵性花香成分芳樟醇的合成[15]。在?;誓档ぃ≒aeonia × lemoinei‘High Noon')中,
PsTPS14基因能夠調(diào)控芳樟醇的合成[16]。因此,研究紫花含笑TPS基因的表達(dá)模式及與萜烯類物質(zhì)代謝關(guān)系,對揭示其花香形成的分子機(jī)理研究具有重要意義。
本研究采用生物信息學(xué)方法,結(jié)合TPS合成酶的Pfam結(jié)構(gòu)域模型和紫花含笑轉(zhuǎn)錄本,首次對紫花含笑TPS基因家族進(jìn)行鑒定,并對候選的TPS家族成員進(jìn)行了蛋白理化性質(zhì)、系統(tǒng)進(jìn)化和保守基序分析等。以期揭示了紫花含笑TPS候選基因在花朵不同生長發(fā)育階段的基因表達(dá)模式并測定不同發(fā)育時期紫花含笑花朵萜烯類物質(zhì)含量。旨在深人探討TPS基因家族成員在紫花含笑花香合成代謝中的關(guān)鍵作用,為未來相關(guān)研究提供重要的候選基因。
材料與方法
1.1 材料
實驗材料為保存于杭州富陽的1株8年生紫花含笑。于2023年3月一4月,分6個不同時期采集生長良好、無病蟲害、無機(jī)械損傷的紫花含笑花朵,即時期I(花芽較小,萼片為綠色),時期Ⅱ(花芽進(jìn)一步膨大,萼片為黃褐色)、時期I(萼片未脫落、花被片成紫色)、時期IV(萼片尚未完全脫落、花被片露出)、時期V(萼片完全脫落、花苞尚未打開)、時期VI(花被片完全展開、花粉脫落)的花朵(圖1)。采集后的花朵用錫箔紙包裹后迅速置于液氮保存, 30min 后轉(zhuǎn)移至 -80°C 冰箱保存。
1.2 方法
1.2.1TPS 家族成員的鑒定基于紫花含笑無參轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[5,本研究利用HMMERv3軟件,依據(jù)TPS蛋白家族的N端和C端的隱馬爾可夫模型(N:PF01397;C:PF03936;http://pfam.xfam.org/),篩選紫花含笑TPS基因家族候選基因(閾值為 1×e-5 )。使用Expasy 網(wǎng)頁在線工具protparam(https://web.expasy.org/protparam)預(yù)測蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)理化性質(zhì)。
1.2.2 TPS家族保守基序鑒定使用在線工具M(jìn)EME(http://meme-suite.org/tools/meme)預(yù)測紫花含笑TPS家族蛋白序列的保守基序(Motif)。
1.2.3 TPS家族系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建結(jié)合擬南芥(Arabidopsis thaliana Heynh.)31個TPS蛋白序列、山蒼子(LitseacubebaPers.)51個TPS蛋白序列、火炬松(PinustaedaL.)5個TPS蛋白序列,水稻(OryzasativaL.)20個TPS蛋白序列和紫花含笑10個候選TPS蛋白序列,使用MEGA11軟件[17]采用最大似然法對紫花含笑TPS家族進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。使用在線工具iTOL(https://itol.embl.de)繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹,Bootstrap重復(fù)次數(shù)設(shè)置為1000次。
1.2.4GC-MS檢測不同發(fā)育時期紫花含笑花朵揮發(fā)性物質(zhì)稱取 1~39 樣品置于 15mL 頂空瓶中,加入 50μL 癸酸乙酯溶液( 10μg?mL-1 )作為內(nèi)標(biāo),頂空螺紋密封。樣品在 35°C 烘箱中平衡5min后,將氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent6890N-5975B)萃取頭插入頂空瓶,在樣品上空吸附 43min ,最后在GC-MS進(jìn)樣口于 220°C 下解吸 5min 。色譜柱采用DB-5MS( 60m× 0.25mmID×0.25μm )。使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行分析,樣品首先在 50°C 下進(jìn)行 2min 的恒溫處理,然后以 3°C?min-1 的速度升溫至80°C ,并保持 2min 。隨后以 5°C?min-1 的速度升溫至180°C ,保持1min;之后以 10°C?min-1 的速度升溫至 230°C 并保持 5min ,最后以 20°C?min-1 的速度升溫至 250°C 并保持 4min 。在此過程中,進(jìn)樣口溫度設(shè)置為 220°C ,脈沖不分流,載氣為高純度氮氣( 99.999% ),柱流速為 1.5mL?min-1 。離子源溫度設(shè)定為 230°C ,色譜-質(zhì)譜接口溫度設(shè)定為 250‰ ,離子化方式為EI,電子能量為 70eV 。掃描范圍設(shè)置為 50~500m?z-1 。結(jié)果檢索NIST20( National Institute of StandardsandTechnology20)標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫定性分析。處理后的數(shù)據(jù)使用CAS號查詢化學(xué)物質(zhì)的中文名稱,獲得化合物定性結(jié)果[18]。使用內(nèi)標(biāo)法對待測物質(zhì)進(jìn)行定量。參考張騰旬的方法進(jìn)行計算[19]。計算公式如下
式中, ω1 為目標(biāo)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù) I(|J9?g-1) M2 為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)質(zhì)量/ug、 M☉ 為樣品質(zhì)量/g、 S1 為待測物質(zhì)峰面積、 S2 為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)峰面積。
通過在線數(shù)據(jù)庫 perflavory (http://www.perflavory.com)、 chemicalbook(https://www.chemicalbook.com)、femaflavor(https://www.femaflavor org/flavor-library)查找時期IV、V含量前 1% 化合 物的香氣類型。
1.2.5qRT-PCR分析根據(jù)前期觀察發(fā)現(xiàn)紫花含笑在發(fā)育時期IV和V花香濃郁,并結(jié)合花香物質(zhì)聚類結(jié)果提取紫花含笑在發(fā)育時期I、I、IV和V花朵的總RNA(RNAprepPure多糖多酚植物總RNA提取試劑盒DP441,天根,北京)。利用Nanodrop2000/2000C超微量分光光度計檢測RNA的濃度和質(zhì)量,并通過瓊脂糖凝膠電泳分離總RNA,根據(jù)rRNA的18S和28S判斷RNA完整性。使用完整性好且無蛋白和DNA污染的RNA樣本用于后續(xù)實驗。利用PrimeScriptTMRTMasterMix(RR036A,Takara寶日醫(yī)生物技術(shù),北京)合成cDNA第一條鏈,用于熒光定量PCR反應(yīng)。使用SPDE軟件[20]批量設(shè)計定量引物(表1),引物設(shè)計在TPS基因的非保守區(qū)域,擴(kuò)增片段長度在 100~200 bp之間。使用QuantStudio7Flex實時熒光定量PCR儀(ThermoFisherScientific,美國)進(jìn)行定量PCR試驗。以紫花含笑actin基因為內(nèi)參基因。反應(yīng)體系和擴(kuò)增程序按照定量試劑盒TBGreenPremixExTaqTMI(TliRNaseHPlus)(RR820A,Takara寶日醫(yī)生物技術(shù),北京)說明書進(jìn)行。每個樣品3次生物學(xué)重復(fù),4次技術(shù)重復(fù)。使用 2-ΔΔCτ 方法[21]計算TPS基因的相對表達(dá)量。使用R軟件進(jìn)行單因素方差分析。
1.2.6TPS表達(dá)水平與萜烯類物質(zhì)相關(guān)性分析使用R軟件中的cor函數(shù)對qRT-PCR分析獲得的TPS基因相對表達(dá)量和GC-MS檢測獲得的萜烯類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 TPS基因家族成員鑒定
基于無參組裝的紫花含笑轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù),鑒定到10個TPS候選基因家族成員。TPS基因家族成員編碼蛋白分子質(zhì)量為57810.20\~113803.45Da,編碼氨基酸殘基數(shù)為511\~987,等電點為8.64~10.33 ,全部為堿性蛋白,不穩(wěn)定指數(shù)為 ,全部大于40,脂肪族指數(shù)為
,親水性為0.078~0.399(表2)。
2.2 TPS家族保守基序分析
在紫花含笑TPS候選萜烯合成酶中預(yù)測到
2.3 TPS家族的系統(tǒng)進(jìn)化樹
TPS家族可以分為7個亞家族:TPS-a、TPS-b、 TPS-c、 TPS-d、 TPS-e/f、 TPS-g 和TPS- ?h[22] 。TPS-a、TPS-b 和 TPS-g 亞家族存在于被子植物中,TPS-d亞家族存在于裸子植物中,而TPS-h亞家族則存在于石松類植物中[23]。基于系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),10個TPS家族成員分別聚類到已知功能的TPS-a、TPS-b和TPS-e/f亞家族(圖3)。 C12342.4、C12342.3、C31944.0、C25854.0和C25854.1位于TPS-a亞家族成員所在的分支,說明這5個基因可能參與紫花含笑倍半萜類物質(zhì)的合成。其中C12342.4、C12342.3、C31944.0進(jìn)化關(guān)系較為相近,C25854.0與C25854.1進(jìn)化關(guān)系上也較為相近。然而,前者和后者的進(jìn)化關(guān)系相對較遠(yuǎn),說明他們在合成萜烯類物質(zhì)的功能上可能差異較大。C41348.3、C41348.6、C40582.0位于TPS-b亞家族成員所在的分支,說明這3個基因可能參與紫花含笑單萜類物質(zhì)的合成。其中,C41348.3、C41348.6與C40582.0進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)。C31983.0和C34060.1位于TPS-e/f亞家族成員所在的分支,說明這兩個基因可能與單萜、倍半萜、二萜和激素的合成有關(guān)。
2.4 不同時期紫花含笑花器官TPS基因家族的表達(dá)水平分析
花香在時期IV和V最為濃郁,TPS基因在這段時期的表達(dá)變化與萜烯類物質(zhì)含量上升和花香形成密切相關(guān)。本研究檢測到4個TPS基因在花香最濃郁的時期V表達(dá)量上升。其中,C41348.6、C41348.3在時期V的表達(dá)量顯著高于其它3個時期;C40582.0和C31983.0在時期V的表達(dá)量均高于其它3個時期,但差異不顯著。因此推斷萜烯類物質(zhì)含量在時期V上升與C41348.6、C41348.3有關(guān),而可能與C40582.0、C31983.0有關(guān)。C12342.4和C25854.0表達(dá)量在時期IV達(dá)到最低,隨后在時期V上升,但在時期IV、V的表達(dá)量總體低于時期I、I。這兩個基因的回升也暗示了它們在花香形成過程中可能存在潛在作用。C12342.3、C25854.0、C25854.1、C31944.0表達(dá)量在時期IV、V下降。推測這些基因主要負(fù)責(zé)紫花含笑開花前期的萜烯類物質(zhì)的合成(圖4)。
2.5 不同時期紫花含笑花器官中萜烯類物質(zhì)含量測定分析
本實驗共檢測到156種揮發(fā)性物質(zhì)(詳細(xì)數(shù)據(jù)未列出),其中萜烯類物質(zhì)最多(66種),含量變化 60.743%~87.386% ;其次為酯類物質(zhì)(37種),含量變化 2.319%~26.414% ;雜環(huán)類物質(zhì)15種,含量變化 0.299%~16.252% ;醛酮類有11種,含量變化 0.666%~2.233% ;烷烴有9種,含量變化 0~0.336% ;炔烴和烯烴(不包含萜烯)6種,含量變化 0.084%~0.716% ;芳香烴類5種,含量變化 0.641%~1.517% ;醇類物質(zhì)5種,含量變化 0~2.462% ;羧酸類2種,含量變化 0~0.171% (表3)。在紫花含笑花朵不同發(fā)育時期,萜烯類物質(zhì)的含量均最高,而雜環(huán)類物質(zhì)含量的波動較大,表現(xiàn)較高的不穩(wěn)定性。酯類物質(zhì)的含量變化也較大,在時期IV和V有所增加(圖5)。在時期IV,檢測到10種甜果香型香氣物質(zhì),包括 β 欖香烯、羅勒烯、 a. 石竹烯、A-羅勒烯、 β 石竹烯、α-蒎烯、(1S,4S,4aR)-1,6-二甲基-4-異丙基-1,2,3,4,4a,7-六氫萘、「-杜松烯、(E)-α-香檸檬烯、β -華澄茄油烯。其中,A-羅勒烯、α-石竹烯、羅勒烯、卡地那二烯在時期IV含量顯著增加。在時期V,檢測到8種甜果香型香氣物質(zhì),包括 β 欖香烯、 a. 蒎烯、α-石竹烯、δ-欖香烯、 β -華澄茄油烯、羅勒烯、(E)-α-香檸檬烯、右旋萜二烯為甜香型,其中 β -欖香烯、α-石竹烯、δ-欖香烯含量在時期V顯著增加。因此,推測A-羅勒烯、α-石竹烯、羅勒烯、卡地那二烯是含笑花香在時期IV形成的關(guān)鍵物質(zhì), β -欖香烯、α-石竹烯、δ-欖香烯是含笑花香在時期V形成的關(guān)鍵物質(zhì)。
2.6 TPS相對表達(dá)量與萜烯類物質(zhì)含量的相關(guān)性 分析
相關(guān)性分析結(jié)果表明(圖6),C31983.0的表達(dá)量在時期V上升且與甜果香型物質(zhì) β 欖香烯、δ-欖香烯、α-石竹烯正相關(guān),C41348.6和C41348.3的表達(dá)量在時期V顯著性上升且與單萜1,2-二[(E)-丙-1-烯基]環(huán)丁烷相關(guān)。因此,推測C31983.0可能參與調(diào)控紫花含笑甜果香型花香物質(zhì)形成。C41348.6和C41348.3基因可能與成分
1,2-二[(E)-內(nèi)-1-烯基]環(huán)丁烷合成有關(guān)。
3 討論
3.1 紫花含笑TPS基因家族鑒定分析
基于無參轉(zhuǎn)錄組的測序數(shù)據(jù)鑒定到10個紫花含笑TPS候選基因,發(fā)現(xiàn)TPS家族含有6個Motif,TPS-a亞家族成員含有6個保守基序。TPS-e/f亞家族成員缺少保守基序Motif1、Motif3和Motif5,TPS-b亞家族成員C41348.3缺少Motif3,而其他TPS-b的亞家族成員均含有6個Motif。在參與系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建的幾個物種中,紫花含笑TPS基因家族成員與樟科植物山蒼子具有較高的同源性。這表明紫花含笑TPS基因在雙子葉植物中分化較早且可能伴隨樟科和木蘭科植物的分化而分化。由于缺少紫花含笑參考基因組,對于很多轉(zhuǎn)錄本,通過無參轉(zhuǎn)錄組組裝的方法無法獲得全長轉(zhuǎn)錄本,這給挖掘TPS基因家族成員方面帶來了一定的限制。
3.2 GC-MS檢測紫花含笑萜烯類物質(zhì)
萜烯類化合物代表了自然界發(fā)現(xiàn)的最大的自然產(chǎn)物家族,用處廣泛可作為香料、藥品、燃料[24]本研究測得揮發(fā)性物質(zhì)中萜烯類物質(zhì)含量最高這一點與袁婕俐的研究相同[。但是由于該實驗樣品為紫花含笑的整個花器官且樣品品種和樣品生境不同因此主要的萜烯類揮發(fā)性物質(zhì)與袁婕俐的研究結(jié)果存在差異。甜果香型物質(zhì)A-羅勒烯、α-石竹烯、羅勒烯、卡地那二烯含量在時期IV增加,這些物質(zhì)有可能與時期IV的特征性果香味形成有關(guān)。甜果香型物質(zhì) β? -欖香烯、α-石竹烯、δ-欖香烯在時期V含量增加,這些物質(zhì)有可能與時期V的特征性果香味形成有關(guān)。在YongYubing研究[1測得多種花香成分中鑒定到的兩種關(guān)鍵香氣貢獻(xiàn)成分α-蒎烯、 β -石竹烯與本實驗相同,本實驗中甜果香型物質(zhì) β -欖香烯在時期IV、時期V含量較高,而在YongYubing的研究中未見報道。
3.3 qRT-PCR和萜烯類物質(zhì)的相關(guān)性分析
C31983.0在時期V表達(dá)量上升且與3種甜果香型物質(zhì)正相關(guān),C31983.0可能參與調(diào)控紫花含笑甜果香型物質(zhì)形成。TPS產(chǎn)物具有多樣性,不同反應(yīng)條件下能夠催化產(chǎn)生不同萜類化合物[25]。然而C31983.0具體參與哪種物質(zhì)合成仍需進(jìn)一步深入研究。參與單萜合成的C41348.6和C41348.3僅在時期V特異性高表達(dá)且僅與單萜1,2-二[(E)丙-1-烯基]環(huán)丁烷弱相關(guān),而時期IV單萜類物質(zhì)含量上升,因此相關(guān)候選基因的功能和揮發(fā)物質(zhì)香氣類型有待進(jìn)一步深入研究。
GC-MS檢測顯示,紫花含笑的花朵揮發(fā)性成分中含有66種萜烯類物質(zhì),然而基于紫花含笑的無參轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),本實驗只鑒定到了10個紫花含笑TPS基因家族成員。隨著三代基因組測序技術(shù)的普及和基因組組裝成本的下降,未來有望以更低的成本完成紫花含笑基因組測序和組裝。借助高質(zhì)量的參考基因組,未來可能發(fā)現(xiàn)更多萜烯合成酶基因,以深入探究TPS基因的功能
4結(jié)論
本研究基于紫花含笑無參轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),采用生物信息學(xué)方法鑒定到10個TPS基因并預(yù)測TPS蛋白質(zhì)性質(zhì)。對10個基因構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹發(fā)現(xiàn)紫花含笑TPS基因家族分化為了3個基因亞家族,TPS-e/f基因亞家族成員缺少Motif1、Motif3、Motif5,TPS-b基因亞家族成員C41348.3缺少Motif3,其余TPS基因含有6個Motif。通過頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和風(fēng)味查詢發(fā)現(xiàn)A-羅勒烯、α-石竹烯、羅勒烯、卡地那二烯這幾種甜果香型物質(zhì)可能與紫花含笑花在時期IV的果香形成有關(guān)。 β -欖香烯、α-石竹烯、δ-欖香烯這幾種甜果香型物質(zhì)可能與紫花含笑花在時期V的果香形成有關(guān)。
結(jié)合qRT-PCR分析不同時期TPS基因表達(dá)水平和萜烯類代謝含量變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)C31983.0的表達(dá)量在時期V上升且與甜果香型物質(zhì) β. 欖香烯、δ-欖香烯、α-石竹烯正相關(guān),該基因可能參與調(diào)控紫花含笑甜果香型物質(zhì) β -欖香烯、δ-欖香烯、α-石竹烯的形成。C41348.6和C41348.3在時期V特異性高表達(dá)且與單萜1,2-二[(E)-丙-1-烯基]環(huán)丁烷相關(guān),C41348.6和C41348.3基因可能與成分1,2-二[(E)-丙-1-烯基]環(huán)丁烷合成有關(guān)。通過挖掘紫花含笑TPS基因家族成員信息,為探索紫花含笑花香成分合成關(guān)鍵基因及功能驗證奠定了理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1」劉玉壺.木蘭科新植物[J].植物研究,1985,5(3):121-131.
[2]柴弋霞.紫花含笑傳粉生物學(xué)與雜交育種研究[D].長沙:中南林 業(yè)科技大學(xué),2018.
[3]柴弋霞,胡希軍,張冬林,等.紫花含笑與含笑、深山含笑和闊瓣 含笑雜交親和性分析[J].園藝學(xué)報,2018,45(10):1970-1978.
[4]XIAO Y, JIANG X,LU C,et al. Genetic diversity and population structure analysis in the chinese endemic species michelia crassipes based on SSR markers[J].Forests,2023,14(3): 508.
[5]ZHANG ZL,XIAO Y G,HUANG P L,et al. Integrated metabolomicsand transcriptomicsanalysis tocharacterize the formationmechanismof purple in Michelia spp.petals[J].Scientia Horticulturae,2024,330:113047.
[6]VAINSTEINA,LEWINSOHNE,PICHERSKYE,etal.Floral fragrance.new inroads into an old commodity[J/OL].Plant Physiology,2001,127(4):1383-1389.
[7]袁婕俐.紫花含笑花器官特征及揮發(fā)性成分分析[D].長沙:中南 林業(yè)科技大學(xué),2023.
[8]MUHLEMANNJK, KLEMPIEN A,DUDAREVA N.Floral Volatiles:from biosynthesis to function[J].Plant,Cellamp; Environment,2014,37(8): 1936-1949.
[9]袁婕俐,金曉玲,張崢,等.紫花含笑不同開花時期花被片的揮發(fā) 性成分分析[J].園藝學(xué)報,2023,50(5):1095-1109.
[10]YONGYB,YUANJL,JINXL,etal.Analysis of aroma volatilesfrom Micheliacrassipes flowerand itschanges indifferent flower organs during flowering[J].Horticulturae,2023,9(4): 442.
[11]THOLL D. Biosynthesis and biological functions of terpenoids in plants[J].Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology,2015,148:63-106.
[12]JIA QD,CHEN F.Catalytic functions of the isoprenyl diphosphate synthase superfamily in plants:a growing repertoire[J]. Molecular Plant,2016,9(2):189-191.
[13]DAl J H,WANG MY,YIN HF,et al. Integrating GC-MS and comparative transcriptomeanalysisreveals that TsERF66 promotes the biosynthesisof caryophyllenein Toona sinensis tender leaveslJ」.Frontiers in Plant Science,2024,15: 1378418.
[14]ZHANG T X,GUOY H,SHI X J,et al. Overexpression of LiTPS2froma cultivar of lily (Lilium‘Siberia’)enhances the monoterpenoidscontentintobaccoflowers[J].Plant Physiologyand Biochemistry,2020,151:391-399.
[15]YANGZZ,LIYQ,GAOFZ,etal.MYB21 interactswithMYC2 to control the expression of terpene synthase genes in flowers ofFreesia hybridaand Arabidopsisthaliana[J].Journal of Experimental Botany,2020,71(14): 4140-4158.
[16]王佩云,李子昂,白楊,等.海黃'牡丹芳樟醇合酶基因PsTPS14 的克隆及功能驗證[J].園藝學(xué)報,2024,51(6):1273-1283.
[17]TAMURA K,STECHER G,KUMAR S.MEGA11: molecular evolutionary genetics analysis version 11[J].Molecular Biology and Evolution,2021,38(7):3022-3027.
[18]XUTJ,CHEN WM, ZHOU JH,et al. Neural machine translationofchemicalnomenclaturebetweenEnglishand Chinese[J]. Journal of Cheminformatics,2020,12(1):50.
[19]張騰旬.梅花花香組成成分差異分析及關(guān)鍵酶基因的功能研究 [D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2021.
[20]XUD,LUZC,JINKM,et al.SPDE:a multi-functional software for sequence processing and data extraction[J].Bioinformatics,2021,37(20):3686-3687.
[21]LIVAK K J,SCHMITTGEN T D.Analysis of Relative Gene Expression Data Using Real-Time Quantitative PCR and the 2(- Delta Delta C(T)) Method[J].Methods,2001,25(4):402-408.
[22]BOHLMANN J,MEYER-GAUEN G,CROTEAU R.Plant terpenoid synthases:Molecular biologyand phylogeneticanalysis[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 1998,95(8):4126-4133.
[23]CHENF,THOLL D,BOHLMANNJ,etal.The family of terpene synthases in plants:a mid-size family of genes for specialized metabolismthatishighlydiversifiedthroughoutthe kingdom[J].Plant J.,2011,66(1):212-229.
[24]GEORGE K W,ALONSO-GUTIERREZ J,KEASLING JD,et al.Isoprenoid drugs,biofuels,and chemicals--artemisinin, farnesene,and beyond[J].Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology,2015,148:355-389.
[25]HE H,BIAN G,HERBST-GERVASONI C J,et al. DisCOvery of the cryptic function of terpene cyclasesasaromatic prenyltransferases[J]. Nature Communications,2020,11(1): 3958.
ldentification of TPS Gene Family and Its Association with Terpenoid Metabolism in Michelia crassipes
JI Hao-nan12,XIAO Yu-guang2,NIU Xiao-yun1, ZHANG Zhi-long2,LIU Jun2,JIANG Jing-min2, DIAO Shu2
(1.CollgeofLandscapendTourism,HebeiAgriculturalUniversityaoing0,HeBeiCina;2.esearchite of SubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,HangZhou31140o,ZheJiang,China;3.GuangxiGaofengState Owned ForestFarm,NanNing530010,GuangXi,China)
Abstract:[Objective]Terpenesare the substances with the highest number and content of volatile components in Michelia crassipes.This study aims to systematically identify TPS gene family members in M. crassipes,andelucidate their functional roles interpenoid metabolismand floral aroma formation.[Methods]Basedonthe transcriptome sequencing dataof M.crassipes,theTPS genesfamilyof M.crassipes wasidentifiedby bioinformatics methods.Thedata obtained by qRT-PCR, headspacesolid-phase microextractionand gas chromatography-mass spectrometry were used to analyze the relationship between TPS genes expression level and terpene metabolic content in different stages.[Results] A total of 10 TPS memberswere identified fromthetranscriptomedataofM.crassipes.Themolecularweightof theprotein encodedby the TPS genes family members ranged from57810.20 to 113803.45 Da,and the number of aminoacids encoded ranged from511to987.The resultsof phylogeneticanalysis showed that theTPS gene familyof M.crassipes was divided into three gene subfamilies.The TPS-e/f gene subfamily members lackedMotif1,Motif 3and Motif5,andtheTPS-a gene subfamilymemberscontained 6Motifs.TheTPS-b gene subfamily member C41348.3 lacked Motif 3 and the remaining members contained 6 Motifs.TPS genes C41348.6 and C41348.3 were significantly highly expressed in stage V,while C31983.0 and C40582.0also exhibited high expressionatthisstage.In terms of terpenecontent,A-ocimene,α-Caryophyllene, β -Ocimene,and cadinadiene were notably increased at stage IV.The content of δ-elemene,α- Caryophyllene, β -Ocimene increased in stage V.The correlation between gene expressionand terpene content wasanalyzed.The TPS-b gene subfamily members C41348.3and C41348.6 were correlated with thesynthesis of the 1,2-bis[(E)-prop-1-enyl] cyclobutane.C31983.0 in the TPS-e/f gene subfamilyof M.crassipes was positively correlated with three types of sweet fruit aroma compounds.[Conclusion] The compounds A-ocimene,α-Caryophylene,δ-elemene,and cadinadiene,may contribute to the fruity floral aroma characteristic ofM. crassipes atstage IV,while β -elemene,α-caryophyllene,andδ-elemeneare likely involved in aroma formation at stage V.TPS genes C41348.6and C41348.3 may participate in the biosynthesisof1,2-bis[(E)-prop-1-enyl] cyclobutane,whereas C31983.0appears to regulate the formation of sweet fruity aroma-related compounds such as β -elemene,α-caryophyllene,and δ-elemene. Overall, theTPSgene family playsacrucial rolein terpene biosynthesis.Thisstudy providesanin-depth characterizationof TPS gene familymembers inM.crasspes,offering a theoretical foundation for future research on the key genes involved in terpenoid biosynthesis inits petals.
Keywords:Michelia crassipes;TPS genes family;Bioinformatics;Expressionanalysis; Volatile terpenoids
(責(zé)任編輯:張研)