东北师范大学高翔团队揭示耧斗菜属植物花香进化的分子机制

花香作为植物与昆虫及环境互作的关键信号，驱动其多样性形成的遗传和进化机制是生态学与进化生物学的热点问题。近日，东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室高翔教授团队在Plant Physiology发表了题为Terpene synthase diversity reveals the inter- and intraspecific floral scent evolution inAquilegia研究论文，系统揭示了萜烯合酶基因（TPS）的序列变异和表达变化共同塑造耧斗菜属（Aquilegia）植物花香多样性的分子机制，为探究花香在植物适应性辐射中的作用创造了条件。

耧斗菜属是研究植物适应性进化的经典模型，属内约包含75个物种，分布于亚洲、欧洲和北美洲，因花部形态（如花色、花距）的快速分化而闻名。然而，花香作为重要的传粉者吸引信号，其在耧斗菜属辐射进化中的作用及遗传机制尚未明确。团队前期研究发现，分布于吉林市左家地区的尖萼耧斗菜（A. oxysepala）和长白耧斗菜（A. japonica）分别释放以（+）-柠檬烯（（+）-limonene）和β-倍半水芹烯（β-sesquiphellandrene）为主要成分的萜烯混合物。通过解析这两个物种中TPS的功能与序列变异相关性，发现萜烯成分的分化与TPS关键位点变异存在明显关联，暗示TPS基因可能是花香分化的关键驱动力（Yang et al., 2022, Horticulture Research）。然而，耧斗菜属植物萜烯多样性的遗传基础，尤其是TPS在更多地理分布物种及居群间花香多样性中的作用，仍有待进一步研究。

研究团队对6种（A. oxysepala、A. japonica、A. yabeana、A. viridiflora、A. alpina和A. chrysantha）代表性耧斗菜物种（涵盖亚洲、欧洲和北美类群）的花香进行了分析，发现：在A. oxysepala、A. japonica、A. yabeana和A. chrysantha花朵中，单萜（+）-柠檬烯（（+）-limonene）是最主要的萜烯成分，而单萜芳樟醇（linalool）和倍半萜β-红没药烯（β-bisabolene）分别在A. viridiflora和A. alpina花朵释放的萜烯中占比最高。耧斗菜属植物的花朵萜类物质种类差异与它们的进化关系和地理分布相关，暗示了这些挥发物在吸引传粉者和/或适应栖息环境等方面可能赋予了植物潜在的优势。基因表达模式分析显示，TPS的表达模式多样，但TPS7、TPS8和TPS9在大多数种中的表达水平较高，暗示这些基因的差异表达可能导致了耧斗菜属物种萜类的多样性。

通过基因表达谱与功能验证，研究团队鉴定了3个核心TPS基因：TPS7定位于质体，可以催化GPP/NPP生成（+）-柠檬烯；TPS8定位于胞质，具有广谱底物活性——以GPP生成芳樟醇、NPP生成β-蒎烯、FPP生成β-红没药烯等；TPS9定位于质体，主要生成β-蒎烯和月桂烯等，部分变体可利用FPP合成倍半萜，体现了其功能可塑性。因此，主效TPS之间的序列差异导致了底物利用的差异和耧斗菜属植物挥发性萜烯的组成差异。

A. viridiflora被认为是中国分布范围最广的耧斗菜属植物，并且其萜类挥发物组成和TPS表达模式与其他耧斗菜属植物存在明显差异（如上述TPS7/8/9在A. viridiflora花朵中相对低表达）。单萜芳樟醇是A. viridiflora花朵释放的主要挥发性萜类物质，但是负责其合成的主效TPS仍待确定。因此，研究团队以A. viridiflora为对象，克隆了6条TPS基因：AvTPS2、AvTPS4、AvTPS5、AvTPS24、AvTPS28和AvTPS32。酶活功能鉴定发现：A. viridiflora的芳樟醇合成由TPS24/TPS28/TPS32协同调控。此外，TPS24含独特的(N,D)DX2IX3E，而非典型的(N,D)DX2(S,T,G)X3E基序，I480位点变异可能改变酶活性中心结构微调催化效率，而TPS28/32的高表达进一步增强芳樟醇释放。

为了进一步探究不同地理分布的耧斗菜属植物的花朵挥发物多样性的分子机制，研究团队从黑龙江、吉林、山东、河北以及北京等11个地区采集了A. viridiflora及其变种A. viridiflora var. Atropurpurea。通过花朵挥发物分析及关键的TPS基因功能的鉴定，发现：序列突变 (如沂蒙山居群因TPS32移码突变影响了芳樟醇合成能力）和表达变化 (如阿城、邢台和沂蒙山居群的TPS24低表达限制了芳樟醇的合成) 均明显影响萜类物质的释放模式，这凸显了植物为适应生境变化而采用的多种策略。

为了进一步阐明不同地理分布的A. viridiflora及其变种A. viridiflora var. atropurpurea的芳樟醇释放的多样性，不同居群中AvTPS24序列被分为五种类型，并对五种AvTPS24蛋白进行体外酶促反应，发现所有AvTPS24蛋白都能将GPP转化为芳樟醇，但在合成效率以及利用多底物能力方面表现出差异。

上述研究表明，耧斗菜属TPS基因通过“保守功能框架下的细微变异”实现生态适应，即1）关键位点的氨基酸替换（如TPS24的I480）在不破坏酶活性的前提下改变底物偏好，快速响应环境压力；2）同一基因在不同物种中表达模式的分化（如TPS7在A. viridiflora中的低表达），实现萜烯谱的调整；3）相同催化产物TPS复制为功能创新提供遗传素材，例如TPS24/28/32的协同进化。这些机制导致耧斗菜属在600万年的进化历程中，通过花部器官性状的快速演化（花色、花距和花香分化）适应了不同的生境，并吸引蜂类、蛾类、鸟类等不同传粉者的完成授粉繁殖。

耧斗菜属植物挥发性萜类物质的种间及种内生物合成模式图

东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室高翔教授和李月庆副教授为论文的通讯作者，杨松博士（现中科院大连化物所博士后）为论文第一作者。该研究得到吉林省科技厅项目资助。

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https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf372

https://doi.org/10.1093/hr/uhab020