芳香是植物的重要观赏性状，由许多挥发性次生代谢产物组合形成，包括萜类化合物、苯环/苯丙素类化合物和脂肪酸类衍生物等。神农香菊是菊科菊属的一个狭布野生种，分布在湖北神农架林区的高海拔地带（约2000米以上）。其整株具有浓郁的芳香，因此被誉为“菊科植物中的薰衣草”。神农香菊特殊的芳香性状，使其具有了重要的药用、茶用和日化（精油）等开发利用价值。此外，神农香菊作为改良栽培菊花芳香性状的重要种质资源，也具有极高的开发潜力和广泛的应用前景。目前，许多研究对神农香菊挥发物的成分进行了鉴定，并对主要成分的生物活性进行了探究。但在神农香菊芳香性状形成分子机理的研究，尤其是对其主要挥发物成分如石竹烯、荜澄茄油烯、侧柏酮等萜类化合物的生物合成分子机制的解析方面，研究尚少。 近日，International Journal of Biological Macromolecules（中科院1区Top，IF=7.7）在线发表了北京林业大学孙明教授团队题为Identification and functional analysis of terpene synthases revealing the secrets of aroma formation in Chrysanthemum aromaticum的研究论文。报道了其在神农香菊芳香性状形成分子机制解析中取得的最新进展。 该研究利用全长转录组和二代转录组测序技术，结合基因表达模式分析以及挥发物代谢组联合分析，对可能参与神农香菊主要萜类化合物合成的关键酶基因进行了挖掘。在神农香菊中鉴定到了分属于4个萜类合酶子家族的29个萜类合酶基因（CaTPSs），并成功克隆了其中五个候选CaTPSs基因。随后，利用AlphaFold 2预测了这5个萜类合酶的三级结构，进一步利用分子对接技术预测了它们与法尼基焦磷酸（FPP）和香叶基焦磷酸（GPP）的相互作用（结合能、结合位点）。最后，利用原核表达技术在大肠杆菌中诱导了这些萜类合酶的表达，并通过体外酶活试验，对其催化活性进行了验证。研究结果发现CaTPS7对GPP和FPP均具有催化活性，CaTPS8，CaTPS10和CaTPS20仅对FPP具有催化活性。其中CaTPS7和CaTPS20在对FPP的催化活性上存在功能冗余，均能够催化FPP生成较高含量的β-caryophyllene和少量的α-caryophyllene。CaTPS8和CaTPS10则能够催化FPP分别产生反式橙花叔醇和榄香烯等化合物。综上，该研究结合代谢组学、转录组学、生物信息学和分子生物学研究手段，初步解析了神农香菊重要香气成分如石竹烯、榄香烯合成的分子机制。本研究为进一步解析神农香菊萜类挥发物的代谢网络奠定了重要基础，这些鉴定到的萜类合酶基因则有望用于芳香型菊花的分子育种，丰富栽培菊花的观赏性状。
北京林业大学已毕业博士钟剑为该论文的第一作者，孙明教授为通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金（32271947）和雄安新区科技创新专项（2022XAGG0100）的资助。孙明教授团队依托北京林业大学国家花卉工程技术研究中心，林木资源高效生产全国重点实验室等平台，长期致力于菊花、百合等园林植物（花卉）资源、育种与栽培应用等研究。并重点围绕花卉抗逆性状和芳香性状形成分子机理解析开展研究工作，取得了一系列的重要进展和研究成果。包括发表菊属植物新种1个，获授权植物新品种30余个，获授权发明专利30余项，制定国家、行业标准6项，在Industrial Crops and Products, Horticultural Plant Journal和Plant Physiology and Biochemistry等国内外重要学术刊物上发表研究论文100余篇。 文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135377
