不同生境条件下神农香菊萜类挥发性物质不稳定产生的分子机制研究

Chrysanthemum indicum var. aromaticum is a plant which distributes uniquely in the high-altitude area of the Shennongjia mountains, Hubei. Its whole plant has a strong fragrance and is widely used in the fields of essence, fragrance and pharmaceutical industry. It is an important resource plant for both genetic improvement and breeding of aromatic ornamental cultivars and medicinal chrysanthemums. Although the main aroma substances of terpenoids were identified in previous studies, the accumulation and formation mechanism related to habitat change of these aromatic components is not yet clear, which seriously restricts its further development and utilization. Here, with a focus on the instability of the generation of volatile terpenoids in relation to three different habitats, including one habitat with similar altitude of its original distribution area, and two habitats with low altitudes, omics technologies are applied on transplanted C. indicum var. aromaticum samples in these habitats to investigate the secondary metabolic profiles and the related regulation network. The relationship among gene expression, regulation of key enzymes in the biosynthesis pathway of terpenoids and ecological factors will be combined analyzed to dissect the potential mechanism in relation to the instability of aromatic formation across various ecological conditions, in particular the altitudinal changes. The results will benefit the resource conservation and germplasm innovation of C. indicum var. aromaticum, and promote its agricultural and medicinal applications.

神农香菊是独特分布于湖北省神农架高海拔区域的菊属植物，其全株香气浓郁，广泛用于香精香料、医药工业等领域，是观赏菊和药用菊优良芳香品种育种改良的重要遗传资源。目前，已经鉴定出多种神农香菊的香气物质，其中萜类化合物占据主导。然而，目前的研究仍然停留在鉴定方面，相关的香气物质积累规律和分子形成机制尚不清楚，且其香气产生的稳定性因生境不同而存在较大的差异，严重制约了该资源的广泛引种栽培和应用。本项目选择种植在同生境地（神农架林区，海拔2500-2700m）和两个非同生境地（湖北中、低海拔）的三个神农香菊居群为主要研究对象，以其主要萜类挥发性香气物质因生境的不同而产生的不稳定性为切入点，通过转录组及代谢组数据的整合研究，探讨萜类化合物生物合成途径关键酶基因表达、调控和生态因子等多个层面对神农香菊香气物质相关生境变化的积累规律和不稳定形成机制的影响，推动神农香菊的资源保护和种质创新，促进其产业化应用。

神农香菊（Chrysanthemum indicumvar. aromaticum）由高海拔向低海拔移植过程中，出现了香气变淡，花期改变等情况，其香气不稳定的原因是遗传所致还是环境因素尚不清楚，同时其适应性进化与物种形成的遗传机制尚未见报道，严重制约了其深入开发和利用。基于此，本研究主要从生态因子的角度对种植在中、低不同海拔生境的神农香菊开展代谢组与转录组学等相关研究，主要研究内容包括：（1）神农香菊自然居群遗传变异评价研究及核心种质筛选：结合遗传评价和代谢成分多样性评估筛选得到了45份核心种质；（2）基于转录组测序挖掘三个菊属近缘物种中黄酮类和萜类生物合成相关的基因：探讨了野菊（C. indicum） 、 菊花脑（C. nankingense）、 神农香菊三个菊属近缘物种中与黄酮类和萜类生物合成相关的基因表达情况；（3）神农香菊代谢组检测揭示不同海拔生境下香气物质的积累：发现苯丙素类与倍半萜类化合物在中海拔神农香菊中含量较高，单萜类物质在低海拔神农香菊中含量较高；（4）转录组测序揭示不同海拔生境下神农香菊基因表达模式：表明神农香菊种植在不同海拔区域会影响相关代谢通路基因的表达。（5）不同海拔生境神农香菊挥发性代谢物与表达基因加权共表达网络分析：发现共有8个萜类生物合成途径中的结构基因与部分萜类物质的生物合成相关。AP2/ERF、NAC、MYB 、bHLH以及C2H2转录因子家族可能在神农香菊萜类物质的生物合成中具有重要的调控作用；（6）基于转录组学和代谢组学揭示神农香菊花发育过程中香气物质的变化分子机制：检测得到89种关键差异代谢物在花发育过程中具有不同的释放特征。来自MYB、bHLH、AP2/EFR和WRKY家族的20个转录因子可能是影响神农香菊花香关键调控因子。. 本研究结果为神农香菊适应变化生境相关的基因挖掘与应用提供了理论参考，同时也为其资源保护以及引种栽培提供理论依据。后续将通过系统基因组学和表观基因组学手段继续深入阐释神农香菊物种形成和高海拔适应性进化分子机制，希望能对此长期研究方向进行更多有力支持。本次结题后仍会有高水平科研论文产出。