Cloning and functional identification of sesquiterpene synthase gene NjTPS2 in Nardostachys jatamansi DC
- 作者
- ZhiYu Hao, LiJun Peng, YueYing Hu, XunJian Wu, YuanYuan Li, JunCheng Zhang, XiaoHui Tang, Jin Pei, Jiang Chen
- 单位
- State Key Laboratory of Southwestern Chinese Medicine Resources, Chengdu, Sichuan, China; College of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu, Sichuan, China; Sichuan Academy of Grassland Sciences, Chengdu, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2026）
- DOI
- 10.3389/fpls.2025.1718102
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
甘松中倍半萜类化合物是其主要药效成分，但其生物合成途径及相关基因尚不清楚，尤其是倍半萜合酶基因的功能未得到验证。
研究策略
结合代谢组学（GC-MS）检测甘松挥发性成分，利用转录组测序筛选候选倍半萜合酶基因；通过生物信息学分析、qRT-PCR组织表达分析筛选目标基因；采用酵母异源表达系统和烟草瞬时表达系统对NjTPS2进行功能验证，并通过分子对接分析其与底物FPP的结合机制。
研究路线图
核心内容
本研究针对甘松倍半萜类药效成分生物合成途径不清的问题，结合GC-MS代谢组学与转录组测序，从甘松中筛选并克隆了倍半萜合酶基因NjTPS2。代谢组学共检测到736种化合物，其中倍半萜类138种，占萜类化合物的65.4%；转录组获得14.29 Gb clean data，筛选出9个候选倍半萜合酶基因并成功克隆7个。NjTPS2编码区全长1212 bp，含有两个核心催化结构域，属于TPSb亚家族，qRT-PCR显示其在根中表达量最高。酵母异源表达中，NjTPS2催化FPP生成法尼醇；烟草瞬时表达中则产生α-cyperone等倍半萜，并使未知倍半萜NP-004917的峰面积从3.5×10⁷提升至1.56×10⁸。分子对接显示NjTPS2与底物FPP的结合能为-7.3 kcal/mol，关键残基包括GLU-124、ARG-121等。结果证实NjTPS2具有倍半萜合酶活性，且在不同表达系统中产物谱存在差异，为解析甘松倍半萜生物合成机制及品种选育提供了基因资源。
创新点
首次从甘松中克隆并功能鉴定倍半萜合酶基因NjTPS2；发现其在酵母和烟草两种异源表达系统中产生不同的倍半萜产物谱；通过分子对接揭示了NjTPS2与FPP的关键结合残基及结合能。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）工程菌 | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 倍半萜生物合成 | NjTPS2 | NjTPS2倍半萜合酶 | 催化 | 在含FPP的酵母工程菌中异源表达，通过GC-MS检测到产生法尼醇 |
| 本氏烟草（Nicotiana benthamiana） | 倍半萜生物合成途径 | NjTPS2 | NjTPS2倍半萜合酶 | 催化 | 农杆菌介导瞬时表达，产生α-cyperone和2-[(1S,2S,4aR,8aS)-1-hydroxy-4a-methyl-8-methylene-1,2,3,4,5,6,7,8-octahydronaphthalen-2-yl]prop-2-enoic acid，并促进NP-004917积累 |
| 甘松（Nardostachys jatamansi） | 倍半萜生物合成途径 | NjTPS2 | NjTPS2倍半萜合酶 | 催化 | qRT-PCR显示该基因在根中表达量最高，可能参与根部倍半萜合成 |
| 甘松（Nardostachys jatamansi） | 倍半萜生物合成途径 | NjTPS1, NjTPS3-NjTPS9 | — | 催化 | 转录组筛选出的候选倍半萜合酶基因，其中NjTPS3和NjTPS9未成功克隆，其余基因进行了表达分析 |
关键发现
- 代谢组学检测到736种化合物，分16类，其中萜类211种（占28.7%），倍半萜类138种（占萜类的65.4%）
- 转录组获得14.29 Gb clean data，Q30>92%，获得80,751条Transcript和44,944条Unigene
- 筛选出9个倍半萜合酶基因，成功克隆7个
- NjTPS2基因CDS全长1212 bp，含有Terpene synth C和Terpene synth两个核心催化结构域，属于TPSb亚家族
- qRT-PCR显示NjTPS2在根中表达量最高
- 在酵母中表达NjTPS2产生法尼醇（保留时间9.116 min）
- 在烟草中瞬时表达NjTPS2产生α-cyperone和2-[(1S,2S,4aR,8aS)-1-hydroxy-4a-methyl-8-methylene-1,2,3,4,5,6,7,8-octahydronaphthalen-2-yl]prop-2-enoic acid，并使未知倍半萜NP-004917的峰面积从3.5×10^7（对照）提升至1.56×10^8
- 分子对接显示NjTPS2与FPP的结合能为-7.3 kcal/mol，氢键残基为GLU-124、ARG-121、TRP-128和HIS-380。
研究结论
NjTPS2具有倍半萜合酶的功能活性，能够利用FPP生成倍半萜类化合物。该研究为阐明甘松品质形成的分子机制、倍半萜类化合物的生物合成以及优质甘松品种选育提供了基因资源。