草果挥发性萜类化合物及萜烯合酶的全面解析：解锁植物生化多样性的关键

《Molecular Horticulture》：Comprehensive characterization of volatile terpenoids and terpene synthases in Lanxangia tsaoko

为探究草果（Lanxangia tsaoko）挥发性代谢物的生物合成机制，研究人员开展了多组学及功能表征研究。结果表明萜类化合物在草果挥发性成分中占比最高，鉴定出 42 个萜烯合酶（TPS）编码基因，部分 LtTPSs 可催化生成单萜和倍半萜。该研究为理解草果挥发性萜类生物合成提供依据。

　　草果，这种在我们生活中并不陌生的植物，它既是烹饪中不可或缺的香料，为各种美食增添独特风味，又是传统中医里的一味良药，被用于治疗多种疾病。草果之所以有如此独特的功效，主要得益于其丰富的挥发性代谢物。然而，以往的研究大多只是简单地对草果中的成分进行分类和探究其药理活性，对于这些代谢物的生物合成机制，我们了解得还远远不够。就好比一座宝藏就在眼前，我们却只看到了表面的光芒，对于其内部的构造和秘密知之甚少。

为了深入挖掘草果挥发性代谢物的奥秘，中国中医科学院中药研究所等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过一系列严谨的实验和分析，取得了一系列重要成果，这些成果发表在《Molecular Horticulture》杂志上，为我们认识草果打开了新的大门。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是代谢组学技术，通过对草果不同组织的挥发性化合物进行分析，来了解其挥发性成分的组成和分布。其次是转录组学技术，用于研究相关基因的表达情况，探索基因与挥发性化合物合成之间的关系。此外，还有基因克隆和功能鉴定技术，对筛选出的基因进行功能验证 ，确定它们在挥发性萜类化合物合成中的具体作用。

研究人员先对草果不同组织进行代谢组学分析。他们运用气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）技术，对草果的根、茎、花、叶、果实和果柄 6 个组织中的挥发性化合物进行检测。主成分分析（PCA）显示检测结果可靠，不同组织间代谢差异明显。研究共检测到 1009 种挥发性化合物，萜类化合物占比最高（20.5%），且在果实和花中含量较高。KEGG 富集分析表明差异代谢物在单萜生物合成途径显著富集，说明萜类化合物是草果主要活性成分，且果实和花中萜类最为丰富。

接着，研究人员对萜类生物合成上游基因进行鉴定。通过分析 MEP 和 MVA 途径关键基因，发现多数基因有多个拷贝，全基因组复制（WGD）事件对这些上游基因的扩增贡献显著。转录组分析显示，多数上游基因在花和果实中高表达，与代谢组结果相符，表明这些基因可能参与单萜生物合成，促进萜类在花和果实中积累。

之后，研究人员对 LtTPSs 进行系统分析。在草果基因组中鉴定出 42 个 LtTPSs，根据理化性质和系统发育分析将其分为 6 个亚家族。基因复制事件分析表明，分散复制（DSD）和近端复制（PD）促使 TPS - a/b 亚家族基因扩增，可能增加挥发性萜类的多样性和丰富度。转录组分析显示，部分 LtTPSs 在花和果实中优势表达，可能对花和果实中挥发性萜类生物合成至关重要。

最后，研究人员对 LtTPSs 进行功能表征。成功克隆 18 个 LtTPSs，利用工程菌株验证其功能。结果显示，4 个 LtTPS 酶具有倍半萜合酶活性，8 个可将香叶基焦磷酸（GPP）转化为单萜，LtTPS23 和 LtTPS42 具有双功能活性。不同 LtTPSs 催化产物不同，即使序列相似的基因，催化活性也可能存在差异，反映了萜类生物合成途径的复杂性。

综合来看，该研究首次全面解析了草果挥发性萜类化合物及萜烯合酶，揭示了萜类化合物在草果中的重要地位和生物合成机制。研究发现草果挥发性化合物中萜类占主导，鉴定出多个参与萜类合成的基因，明确了基因复制对萜类多样性的影响。这不仅为深入了解草果的生物学特性提供了理论依据，也为后续利用基因工程技术提高草果中有益萜类化合物的产量，开发新型药物和香料奠定了坚实基础。同时，该研究为其他植物挥发性代谢物的研究提供了参考范例，有助于推动植物代谢工程领域的发展，进一步挖掘植物中潜在的生物活性成分，为人类健康和生活带来更多福祉。