菊科植物倍半萜合成酶基因家族的进化与转录调控网络解析及其在药用萜类开发中的意义

本研究聚焦菊科植物倍半萜生物合成途径中萜烯合成酶(TPS)的进化规律及其转录调控网络。研究人员通过比较基因组学、加权基因共表达网络分析(WGCNA)和机器学习方法，揭示了菊科物种分化时间(74.03 MYA)、TPS基因家族扩张机制(串联复制和片段复制主导)，并首次在10个菊科物种中发现石竹烯型倍半萜生物合成基因簇(BGCs)。研究鉴定出红花(Carthamus tinctorius)中调控CtTPS55的关键转录因子(MYB/NAC家族)，构建了光胁迫下的多层基因调控网络(GRN)，为药用萜类的高效生物合成提供了新靶点和理论依据。

　　

研究背景与科学问题
菊科作为被子植物最大科之一，富含具有重要药用价值的萜类次生代谢物，如抗疟疾的青蒿素、抗动脉粥样硬化的石竹烯型倍半萜等。然而，菊科植物萜类代谢途径的进化模式及其复杂调控机制仍不明确。尤其令人困惑的是：为何菊科能产生结构如此多样的萜类化合物？这些代谢途径如何响应环境胁迫？解答这些问题对开发高产药用萜类的分子育种策略至关重要。

研究方法与技术路线
研究整合了19个菊科和6个外类群物种的基因组数据，采用OrthoFinder构建系统发育树，MCMCtree估算分化时间。通过PlantiSMASH预测萜类BGCs，MCScan分析基因共线性。基于红花转录组数据(SRP272164)，结合WGCNA、随机森林(RF)和支持向量机递归特征消除(SVM-RFE)筛选调控CtTPS55的关键转录因子。光胁迫实验通过低/中/高强度光照处理，利用Bottom-up GGM算法构建多层GRN。

主要研究结果

1. 1.菊科系统发育与TPS基因家族进化
   分子钟分析表明菊科约74.03 MYA与其他科分化，分为Carduoidae、Cichorioideae和Asteroideae三个亚科。鉴定到1,714个TPS基因，主要分布在TPS-a和TPS-b亚家族，通过串联复制和片段复制扩张。红花(C. tinctorius)的TPS基因相对丰度最高(73个)，其中46个由串联复制产生。

1. 1.石竹烯型倍半萜BGCs的进化起源
   在菊花(C. morifolium)、红花等10个物种中发现石竹烯型BGCs。共线性分析显示，红花和乳蓟(S. marianum)的BGCs通过串联复制形成，而菊花的BGCs则源于全基因组复制(WGD)。石竹烯合成酶(CPS)基因在菊科祖先中已存在，但在紫菀(A. annua)等物种中发生丢失。

1. 1.

   红花CtTPS55的转录调控机制
   通过多算法联合分析鉴定出4个关键转录因子：CtAH12T0169700.1(MYB)与CtTPS55在根中共表达显著(r=0.75)。光响应元件分析表明73个CtTPS基因启动子区富含光胁迫响应元件。

2. 2.

   光胁迫下的多层GRN
   鉴定出3,195个差异表达基因(含8个CtTPSs和197个TFs)，构建的GRN显示14个顶层TFs通过调控134个中层TFs，最终激活4个CtTPS基因响应光胁迫。例如WRKY家族CtAH04T0151200.1在低光下特异性调控CtAH02T0188300.1。

研究意义与展望
该研究首次系统揭示了菊科TPS基因家族的进化动力学和BGCs形成机制，证实WGD和串联复制是代谢途径多样化的主要驱动力。发现的MYB/NAC调控模块和多层GRN为光调控萜类合成提供了新认知。未来可通过遗传改造CtTPS55调控网络，提升药用石竹烯型化合物的产量。研究也存在局限性，如部分BGCs功能未经验证，需通过基因敲除等实验进一步确认。

（注：全文数据均来自作者在《Horticulture Research》发表的原始研究，技术方法部分已按要求简化处理，专业术语首次出现时均标注英文缩写，图片引用严格遵循原文位置与说明）