上海应用技术大学柯勤飞教授团队孟庆然博士：神农香菊不同部位香气成分组成与相关萜类基因表达

原名：Differences in volatile composition and expression of genes involved in terpenoids biosynthesis in Chrysanthemum indicum var. aromaticum

译名：神农香菊不同部位香气成分组成与相关萜类基因表达

期刊：Scientia Horticulturae

DOI：10.1016/j.scienta.2024.113461

发表时间：2024.11

通讯作者：孟庆然

通讯作者单位：上海应用技术大学香料香精化妆品省部共建协同创新中心

神农香菊茎、叶、花蕾（Flower-B）、花苞（Flower-E）、盛花（Flower-F）中分别鉴定出38、37、86、80、50种挥发性成分，共计128种。其中，79种为两个及以上器官中所共有，15种独立存在于5个器官中。不同器官中挥发性化合物的种类及相对含量呈现明显差异，萜类物质在不同器官中均占比最大（图1）。

图1 神农香菊5个部位挥发性成分分析

（A为含量分布图；B为种类分布图）

图2 神农香菊不同部位的感官评定雷达图

      香气是评价神农香菊品质的重要指标，常用多元统计分析法分析影响样品品质的多项指标间的内在联系。通过对上述38个特征香气物质进行PCA分析，初步了解神农香菊不同器官之间的差异/相似性。图4A显示了神农香菊不同器官之间无显著差异。在主成分图中，第一主成分（PC1，X轴）解释了总香气变化的35.7%，第一主成分（PC2，Y轴）解释了22.3%（图3A）。对38个特征香气物质根据皮尔逊相关系数进行相关性分析（图3B），显示茎和叶的相关性较高，相关系数为0.92。不同花部间呈现较强的相关性，其中花蕾和花苞的相关性系数为0.87，花苞和盛花关联性次之，相关系数为0.82，花蕾和盛花的关联系数仅为0.68，关联性较弱。

图3 神农香菊不同部位香气成分的的多元统计分析

（A为主成分分析；B为相关性分析；C为聚类分析）

      为了更直观的分析神农香菊5个不同部位香气特征的差异，对38个特征香气成分按照含量构建了聚类分析图。由图3C可知，神农香菊的茎和叶聚为一类；花苞和花蕾聚为一类，再与盛花聚为一类，显示神农香菊茎和叶特征香气成分的种类和含量具有一定的相似性，与花不同发育阶段之间差异较大。β-Bisabolene、β-Sesquiphellandrene、β-Caryophyllene、Zingiberene是导致茎、叶部位呈现出良好的相关性的重要香气物质，且β-Caryophyllene、Zingiberene在神农香菊的茎、叶部含量较高，在3个不同的花部位处于较低的含量水平，推测这两种物质可能是导致神农香菊的茎、叶与花的香气差异的重要香气物质。α-Muurolene和(Z)-β-Caryophyllene在盛花中的含量与其他器官显示明显的差异，推测α-Muurolene和(Z)-β-Caryophyllene这两种物质是盛花的标志香气化合物。随着花的开放，花中挥发性物质的种类及含量发生变化，β-Caryophyllene、δ-Cadinene、Aromandendrene、Alloaromadendrene、α-Cubebene、α-Bergamotene和Butanoic acid, 2-methyl-, ethyl ester的含量增加，这些挥发性物质的香气表现主要为柠檬味果香、甜香；Eucalyptol、cis-Sabinol、α-Copaene、γ-Muurolene、β-Sesquiphellandrene、β-Cubebene、Thujone、γ-Terpinene、Costunolide、(E)-β-Famesene物质含量下降，这些挥发性物质的香气表现主要为木香、草香、花果香。不同的香气成分共同作用下赋予了神农香菊地上部分不同器官独特的香味特征。

      为探究神农香菊香气形成的分子机制，本实验分别选取4个MVA途径和4个MEP途径的萜类生物合成基因进行实时荧光定量PCR表达水平分析。通过qRT-PCR分析，8个基因的相对表达量如图5所示。萜类关键基因在神农香菊茎、花蕾、花苞、盛花器官中均有表达，在叶片中的相对表达量均达到最高。但值得关注的是PMK是唯一不在叶片中进行表达的基因，与其他基因形成了明显差异，PMK基因中花蕾的相对表达量最高。在MEP途径中，DXR、DXS、(E)-β-ocimene synthase在营养生长时期的叶、茎器官均有较高的表达，但在GPS中茎的表达量最低。不同花器官的表达量与花器官开放过程呈现正比，在盛花中的表达量高于其他花器官。MVA途径中，PMK是唯一不在叶片表达的基因，HMGR、FPS、β-caryophyllene synthase仍然在叶片中存在较高表达，HMGR和β-caryophyllene synthase中尤为显著。与MEP途径中的四个基因相反，MVA途径中花器官随开花过程表达量呈下降趋势，在花苞和花蕾中有较高表达。

本文采用HS-SPME结合GC-MS和GC-MS/O技术对神农香菊不同器官的香气成分进行分析，筛选出38种具有明显香气的特征香气成分。推测有13种成分构建了神农香菊的主体香气。并根据香气物质的含量差异，初步推断Eucalyptol、β-Eudesmol和β-Pinene、α-Muurolene、(Z)-β-Caryophyllene、β-Caryophyllene、Zingiberene是致使神农香菊不同器官香气差异的原因。此外，发现与萜类生物合成相关的8个关键基因在神农香菊茎、花蕾、花苞、盛花器官中均有表达，在叶片中的相对表达量均达到最高。本实验结合代谢组学和分子技术深入探究了神农香菊香气形成机制，为培育芳香性状的优质菊属植物提供科学依据，但具体的分子调控机制仍需进一步探索。

柯勤飞，工学博士，二级教授，博士生导师，上海应用技术大学原校长，现任上海市政协科技和教育委员会副主任，学校第二届学术委员会主任委员，香料香精化妆品省部共建协同创新中心主任，上海“芳香科学与美丽健康”高水平创新团队带头人。兼任教育部高等学校材料教学指导委员会委员、全国食品与营养专业学位研究生教育指导委员会委员、中国香料香精化妆品工业协会副理事长、中国纺织工程学会特邀副理事长、中国高等教育学会常务理事、上海市高等教育学会副会长、国际学术刊物《Research Journal of Textile and Apparel》编委、《香料香精化妆品》编委会副主任。先后担任东华大学校长助理、上海师范大学党委常委、副校长。主编国家重点规划教材、主持国家精品课程，获上海市教学成果奖特等奖2项、一等奖2项、二等奖3项。主要从事功能性芳香新材料、非织造材料和高等教育管理等研究，先后主持参加国家、省部级和企业项目30多项。在《Advanced Functional Materials》《教育发展研究》等重要期刊上发表学术论文130余篇，并获发明专利30余项，主持和参加的科研成果获省部级技术发明奖、科技进步奖一等奖、二等奖多项。作为第一完成人主持完成的《特色花卉香料绿色制备与高值化利用关键技术》成果获2022年度中国轻工业联合会科学技术发明奖一等奖，《聚焦“爱科技” 强化“六融合”：高素质应用创新型人才培养模式的探索实践》获2022年度上海市高等教育优秀教学成果奖特等奖。

高文杰，上海应用技术大学生态技术与工程学院副教授，硕士生导师，现为园艺园林系主任，兼任上海市风景园林学会会员，主讲《花卉学》《园林植物栽培与养护》《香料植物学》等课程。主要从事芳香植物功能成分提取及芳香分子育种研究，主持完成国家自然科学基金青年基金项目、上海市青年科技英才扬帆计划项目、香料香精化妆品省部协同创新中心开放课题，在国内外学术期刊发表学术论文20余篇，参编专著2部。

孟庆然，上海应用技术大学香料香精化妆品学部讲师，上海市高水平地方高校创新团队成员，江南大学/美国Clemson大学联合培养博士，Journal of Renewable Materials期刊客座编辑。主要研究方向为新型表面活性材料绿色制备与功能性香料的稳态载体构筑及可控释放等，在香料香精乳液体系的构建与稳定机制研究方面开展系统研究。相关研究成果以第一/通讯作者发表SCI论文19篇，H指数11。授权发明专利1件。

撰稿人：张晓阳，上海应用技术大学生态技术与工程学院2022级硕士研究生，主要芳香植物功能成分提取及分子育种研究。