中国医科院药植所宋经元团队解析著名香花植物栀子花香产生的分子机制

栀子花以其清新淡雅的香气为人们所青睐，栀子（Gardenia jasminoides J. Ellis）不仅是世界著名的香花植物，也是天然挥发性萜类化合物的重要来源，在园艺和香水香精工业等领域广泛应用，因此理解栀子香味来源的分子机制至关重要。

近日，中国医学科学院药用植物研究所宋经元团队在International Journal of Biological Macromolecules上发表了题为“A pivotal switch in β-domain determines the substrate selectivity of terpene synthases involved inGardenia jasminoidesfloral scent synthesis”的研究论文，首次解析了栀子花香产生的分子机制，并揭示了TPS结构中曾被认为无功能的β结构域内存在一个“开关”，用于控制TPS的底物选择性（Substrate selectivity）。该研究不仅可以精确指导香花植物栀子的优良品种选育，也为TPS的催化杂泛性改良提供理论参考。

该团队前期已发表栀子基因组【1】，并结合转录组数据鉴定出六个可能参与栀子花香生产的关键萜类合酶（Terpene synthase，TPS）【2】。在该研究中，六个关键TPS被表征为3个双功能酶、2个倍半萜合酶和1个单萜合酶，产物为包括α-法呢烯、β-罗勒烯、芳樟醇、橙花叔醇、α-蒎烯等典型萜类花香成分在内的20余种单萜及倍半萜化合物（图1），该结果从分子层面解释了栀子特殊香气来源的机制。值得注意的是，在被验证的萜类合酶中，GjTPS1和GjTPS2具有97%的序列相似度但底物选择却不同，GjTPS1可以催化GPP和FPP两种底物，而GjTPS2仅可催化GPP底物。

图1. 关键萜类合酶功能验证与模式图

为解释这一有趣现象，研究人员对两条序列的差异位点展开分析，通过Alphafold3预测蛋白三维结构及分子对接模拟蛋白与底物分子的相互作用情况，锁定了其中的关键氨基酸位点（图2）。结果表明：GjTPS1的蛋白结构丢失了lid-α-9，即丢失了从196号位点开始延伸至204号位点的一段α螺旋结构，在β结构域的对应位置形成了一个空腔。当196号氨基酸位点从Ala突变为Ser后，该螺旋结构又重新出现并填补了该空腔，这种构象差异可能与其特定的底物选择性有关。

图2. GjTPS1和GjTPS2的三维结构预测及分子对接模拟

研究人员构建了关键位点的突变体并通过体外实验进行功能验证，其中，GjTPS1A196S与GjTPS2S196A突变体实现了功能互变，证明了196号位点为控制两个蛋白底物选择性差异的关键氨基酸位点。随后，对两个蛋白进行了圆二色光谱分析，计算分析结果表明GjTPS2与GjTPS1A196S的α螺旋结构占比相近且均略高于GjTPS1（图3），验证了GjTPS1中α螺旋结构的丢失，揭示了一个活性腔外的关键氨基酸位点控制TPS底物选择性的机制，突破了对TPS蛋白“无功能结构域”的认知，表明“无功能结构域”的关键氨基酸可显著影响TPS的功能，深化了TPS蛋白功能结构的理论基础。

图3. CD谱图与蛋白表面模式示意图

通过与咖啡（Coffea canephora）及其他真双子叶植物基因组比较分析，研究人员发现分散复制（Dispersed duplication, DSD）与串联复制（Tandem duplication, TD）是栀子萜类合酶进化扩张的主要驱动力。其中，GjTPS2为祖先保留下来的基因，而GjTPS1是栀子物种内的特有基因，由GjTPS2经过分散复制进化而来。相比之下，其余四个被验证的关键基因GjTPS3、GjTPS18、GjTPS19、GjTPS27则均由串联复制进化而来，这些发现为分散复制和串联复制在植物代谢进化中的作用提供了重要启示。

图4. GjTPS1与GjTPS2的进化分析

综上，该研究首次揭示了TPS蛋白中曾被认为“无功能结构域”的一个特定氨基酸“开关”能控制其底物选择性，并验证了栀子中六个关键萜类合酶的功能，解析了栀子花香产生的分子机制。研究结果不但能精确指导香花植物栀子的优良品种选育，而且丰富了TPS底物选择性机制的理论基础，为TPS催化杂泛性改良提供指导。

中国医学科学院药用植物研究所硕士生陈启桢为该论文第一作者，中国医学科学院药用植物研究所为第一单位。中国医学科学院药用植物研究所宋经元研究员、许文杰副研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和中国医学科学院医学与健康科技创新工程的支持。

相关文献：

1. Z. Xu, ......, S. Chen, J. Song, Tandem gene duplications drive divergent evolution of caffeine and crocin biosynthetic pathways in plants, BMC Biol. 18 (1) (2020) 63.

2. W. Xu, Q. Lou, Q. Chen, K. Hu, M. Cao, Y. Liu, R. Han, J. Song, Systematic analysis of TPS genes for the synthesis of floral aroma components of Gardenia jasminoides J. Ellis based on the whole genome, Plant Science Journal 11 (1) (2024) 85–95.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014181302409144X?dgcid=author