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花香不但在被子植物吸引傳粉者中發(fā)揮重要的作用，而且是觀(guān)賞植物的重要園藝性狀。作為世界主要的觀(guān)賞花卉，蘭科(Orchidaceae)植物在花香類(lèi)型和強(qiáng)度上展現(xiàn)出極高的多樣性。“蘭為王者香”，培育具有香味的品種一直是蘭花育種者追求的目標(biāo)。然而，許多蘭花原生種具有濃郁的花香，但其雜交后代的花往往喪失了香味。目前，關(guān)于蘭花花香的遺傳和調(diào)控機(jī)制仍缺乏清晰認(rèn)識(shí)。

西藏虎頭蘭(Cymbidium tracyanum)為附生型的蘭屬植物，以花大、花量多、花姿優(yōu)美和香氣濃郁而著稱(chēng)，是商業(yè)品種大花蕙蘭(Cymbidium hybrida)的重要育種親本。同時(shí)，其豐富的花量和濃郁的香味為研究花香的生物合成與調(diào)控機(jī)制提供了良好的材料。

最近，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所張石寶專(zhuān)題組與楊俊波團(tuán)隊(duì)、朱安丹專(zhuān)題組以及昆明動(dòng)物所的科研人員合作，系統(tǒng)解析了西藏虎頭蘭花香的生物合成與調(diào)控機(jī)制。首先，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了西藏虎頭蘭染色體水平的基因組，然后進(jìn)行了比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其與萜類(lèi)物質(zhì)合成代謝相關(guān)的基因發(fā)生了顯著擴(kuò)張。結(jié)合代謝組學(xué)和揮發(fā)物質(zhì)測(cè)定等手段，研究揭示了西藏虎頭蘭花朵不同發(fā)育時(shí)期及不同花部位的揮發(fā)物質(zhì)，尤其是萜類(lèi)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化模式。基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和萜類(lèi)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，篩選到4個(gè)參與花香物質(zhì)合成的關(guān)鍵萜烯合酶基因(CtTPS1、CtTPS2、CtTPS3和CtTPS8)，并通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析、亞細(xì)胞定位和體外酶活催化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其催化功能。同時(shí)，挖掘到參與酶基因表達(dá)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，并利用雙熒光素酶報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)、酵母單雜交實(shí)驗(yàn)、電泳遷移率實(shí)驗(yàn)等方法驗(yàn)證了這些轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)CtAP2/ERF1可激活CtTPS1和CtTPS8的表達(dá)，CtbZIP1激活CtTPS8的表達(dá)，CtMYB2能同時(shí)激活CtTPS3和CtTPS8的表達(dá)，CtAP2/ERF4可激活CtTPS2和CtTPS8的表達(dá)，而CtMYB3則可同時(shí)激活CtTPS2、CtTPS3和CtTPS8的表達(dá)，系統(tǒng)地揭示了西藏虎頭蘭花香物質(zhì)的合成與調(diào)控機(jī)制。據(jù)了解，這是目前解析蘭花花香生物合成機(jī)制的一項(xiàng)最系統(tǒng)的研究工作。研究成果可為芳香蘭花品種的選育奠定重要基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)理解蘭科植物的適應(yīng)性進(jìn)化具有重要意義。

圖1 多組學(xué)聯(lián)合分析揭示西藏虎頭蘭花香形成與調(diào)控的相關(guān)通路

圖2 關(guān)鍵萜烯合酶催化活性及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控驗(yàn)證

研究成果以Integrative omics reveals mechanisms of biosynthesis and regulation of floral scent in Cymbidium tracyanum為題，發(fā)表在國(guó)際植物學(xué)期刊Plant Biotechnology Journal。昆明植物所博士研究生涂夢(mèng)玲、昆明動(dòng)物所博士研究生劉寧雅文、昆明植物研究所賀正山博士為論文的共同第一作者，朱安丹研究員、楊俊波正高級(jí)工程師和張石寶研究員為共同通訊作者。董秀梅助理研究員和博士研究生高天陽(yáng)參與了研究工作。該項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2024YFF1306703)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32170393)、中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(XDB31000000)、云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(202403AC100032)等項(xiàng)目的支持。