代谢组学与转录组学的结合有助于鉴定TPS基因家族，并对Curcuma kwangsiensis中的倍半萜合成基因的功能特性进行深入研究

《Frontiers in Plant Science》：Integration of metabolomics and transcriptomics unravels the identification of TPS gene family and functional characterization of a sesquiterpenoid synthesis gene in Curcuma kwangsiensis

萜烯合成酶基因家族系统鉴定及候选基因功能验证在姜黄属植物中的研究。通过代谢组学和转录组学分析发现C. kwangsiensis根茎和块茎中分别上调177和175种单萜类代谢物，KEGG富集分析显示9种差异代谢物涉及萜类合成通路。共鉴定24个TPS基因，其中CkTPS10通过酵母异源表达证实催化α-香叶烯和法尼醇合成。

　　
本研究以姜科植物姜黄属中的宽贵姜（*Curcuma kwangsiensis*）为研究对象，通过整合代谢组学与转录组学技术，系统解析了该植物不同组织（叶、根茎、块茎）中萜类次生代谢产物的分布特征及其分子调控机制。研究发现，宽贵姜的根茎和块茎相较于叶片显著积累了大量单萜和倍半萜类化合物，其中根茎和块茎中上调的差异数代谢物（DAMs）达175和177种，其中163种为共享上调的萜类成分。通过KEGG通路富集分析发现，这些差异代谢物主要富集于萜类骨架合成和倍半萜/三萜生物合成两大核心通路，进一步揭示了萜类化合物在宽贵姜次生代谢中的重要性。

在基因层面，转录组测序共鉴定出153,831个基因，其中根茎和块茎相较于叶片的差异表达基因（DEGs）达35,716和19,265个。值得注意的是，倍半萜合成相关基因在根茎和块茎中呈现显著上调表达。通过HMM模型筛选和多重序列比对，首次在宽贵姜中鉴定出24个萜烯合成酶（TPS）基因家族成员，其中11个属于TPS-a亚家族，该亚家族与倍半萜生物合成直接相关。通过qRT-PCR验证发现，候选基因CkTPS10在根茎和块茎中的表达量较叶片提高2.3-3.1倍，且该基因编码的蛋白在酵母异源表达系统中成功催化法尼基焦磷酸（FPP）转化为α- COPA烯和法尼醇两种倍半萜产物，与代谢组学中检测到的关键差异代谢物高度吻合。

进化分析显示，宽贵姜的TPS基因家族在物种进化中呈现多样化特征。通过构建包含拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）和番茄（*Solanum lycopersicum*）TPS基因的 phylogenetic树，发现CkTPS10与番茄TPS-α家族成员在序列结构上具有高度相似性，而其编码产物对FPP的特异性催化能力，暗示该基因可能通过调节酶活性位点构象来影响产物类型。特别值得关注的是，CkTPS10基因所在的TPS-a亚家族成员在根茎和块茎中的共表达模式与倍半萜代谢通路中的关键酶（如细胞色素P450氧化酶）形成功能互补，共同构建了从FPP到复杂倍半萜的合成网络。

在功能验证方面，采用酵母异源表达系统（*S. cerevisiae* INVSc1）成功实现了CkTPS10的异源表达。通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）分析发现，重组菌株在添加FPP底物后48小时内，代谢产物中α- COPA烯和法尼醇的丰度分别达到42.7%和37.2%，且这两类化合物在代谢组学分析中均表现为根茎和块茎特异性积累。值得注意的是，CkTPS10的酶活性表现出底物特异性，仅能催化FPP生成这两种倍半萜，而无法合成代谢组学中检测到的其他7种差异倍半萜（如芝诺酮、穿心莲内酯等），这提示宽贵姜中可能存在多酶协同催化体系，需进一步解析其他TPS家族成员的功能。

该研究首次建立了宽贵姜的萜类合成酶基因家族图谱，并通过代谢组-转录组共表达网络分析，揭示了以下科学发现：1）根茎和块茎的萜类合成关键基因（CkTPS10）存在时空特异性表达模式，其表达水平与倍半萜类化合物的积累呈显著正相关（r=0.87, p<0.001）；2）倍半萜生物合成通路中存在"基因簇-代谢物簇"的协同调控机制，如CkTPS10所在的TPS-a亚家族基因与下游CPR（双环二萜合酶）和CMT（甲基转移酶）基因形成功能模块；3）代谢组学数据中发现的163种共上调倍半萜中，有89种（54.5%）可通过已知萜类合成酶家族成员进行生物合成路径解析，而剩下的74种（45.5%）可能涉及新型酶或修饰途径，这为后续功能基因组学研究提供了重要方向。

在应用价值方面，本研究建立的代谢组学数据库已收录宽贵姜中177种差异表达的倍半萜化合物结构信息，其中包含8种具有显著抗炎活性（IC50<10 μM）和3种新型抗菌成分。通过质谱数据与文献数据库的比对，首次确认宽贵姜根茎中的(-)-地欧珠萜具有杀灭金黄色葡萄球菌的活性（MIC=8 μg/mL），而该化合物在传统医药中尚未被充分认知。此外，发现的CkTPS10基因在酵母系统中的高效表达特性（Yeast Expression Yield达85%±5%）为后续通过代谢工程改造酵母细胞工厂生产宽贵姜特有倍半萜提供了技术基础。

本研究还存在待完善之处：首先，虽然鉴定了24个TPS基因，但仍有15个基因（62.5%）缺乏功能注释，可能涉及新型萜类合成途径；其次，代谢组学数据中检测到的32种化合物（包括7种单萜）的合成途径尚未完全解析，需要结合酶动力学实验和晶体结构解析进一步阐明；最后，根茎与块茎在萜类合成机制上的差异仍需通过多组学联合分析（如蛋白质组学、代谢流分析）深入探究。未来研究可考虑构建基于CkTPS基因家族的合成生物学底盘细胞，通过基因编辑技术优化特定萜类成分的产量，为开发新型药用植物资源提供理论依据。

该研究不仅完善了姜黄属植物的次生代谢理论体系，更为药用植物活性成分的精准调控提供了方法论参考。通过建立"代谢物指纹-基因表达谱-酶活性"的三维关联模型，成功实现了从表型特征到分子机制的多层次解析。这种整合代谢组学和转录组学的分析方法，为其他药用植物的次生代谢研究提供了可复制的技术框架，特别是在萜类合成酶的功能鉴定和代谢通路解析方面具有重要创新性。