《Plant Physiology and Biochemistry》：The Isopentenyl Diphosphate Synthase Gene Family in
Cinnamomum burmanni: Genome-Wide Identification and Functional Analysis
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本研究针对阴香（Cinnamomum burmanni）中萜类化合物生物合成关键酶——异戊烯基焦磷酸合酶（IDS）基因家族进行了系统性研究。研究人员通过全基因组鉴定获得13个CbIDS基因，并综合运用系统进化、分子对接、体外酶活验证及亚细胞定位等技术，揭示了不同亚家族成员（IDS-a至IDS-e）在单萜、倍半萜及二萜前体合成中的特异性功能，特别是阐明了异源二聚体GPPS（GPPS.LSU/GPPS.SSU）协同催化生成单萜前体GPP的分子机制。该研究为解析阴香龙脑型化学型的形成基础及优良种质选育提供了重要理论依据。
在化妆品和制药工业中备受青睐的萜类化合物，广泛存在于阴香（Cinnamomum burmanni）叶片中，使其成为一种重要的精油树种。其中，单萜类化合物右旋龙脑（天然冰片）作为传统中药材，具有镇痛、抗炎、抗氧化等多种药理活性，并能促进药物跨膜吸收，广泛应用于心血管疾病治疗。然而，尽管阴香富含多样的萜类物质，其生物合成途径中的关键酶及其调控机制仍不甚清晰，这严重制约了高萜类含量阴香品系的选育。
为了破解这一难题，研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果，对阴香中的异戊烯基焦磷酸合酶（Isopentenyl Diphosphate Synthase, IDS）基因家族展开了系统性探究。IDS是萜类生物合成通路的核心酶，负责生成各类萜类骨架的基本前体物质。本研究旨在阐明阴香中不同IDS亚家族基因的功能，为未来提高其精油品质和龙脑产量奠定遗传改良基础。
研究人员运用了多项关键技术：从阴香全基因组中鉴定出13个CbIDS候选基因；通过系统进化分析将其划分为5个亚家族（IDS-a至IDS-e）；利用分子对接模拟预测各蛋白与底物的结合机制；通过体外酶活实验验证关键酶的催化功能（涉及原核表达和蛋白纯化）；进行亚细胞定位实验以确定蛋白的细胞器分布；并整合不同组织（根、茎、叶）和叶片不同发育时期（7天, 14天, 21天, 28天）的转录组数据（TPM值）以及qRT-PCR实验，分析了基因的表达模式。
3.1. 阴香异戊烯基焦磷酸合酶（IDS）基因的全基因组鉴定
研究从龙脑型阴香基因组中鉴定出13个CbIDS基因（CbIDS1-13）。蛋白特性分析显示，其分子量、等电点、不稳定指数等存在差异，多数蛋白预测为亲水性。
3.2. 阴香异戊烯基焦磷酸合酶（IDS）基因家族的系统进化评估
构建的系统进化树将13个CbIDS基因归为5个亚家族：CbIDS8和CbIDS12（IDS-a）与FPPS聚支；CbIDS3和CbIDS5（IDS-b）与SPPS聚支；CbIDS4和CbIDS7（IDS-c）与GPPS聚支；CbIDS1, 2, 9, 10, 13（IDS-d）与GGPPS聚支；CbIDS6和CbIDS11（IDS-e）与GPPS.SSU聚支。
3.3. CbIDS基因保守基序、结构域及外显子-内含子结构分析
保守基序和结构域分析显示，同一亚家族成员具有相似的基序组成和排列。所有CbIDS蛋白均含有异戊烯基焦磷酸合酶结构域。重要的天冬氨酸富集基序（DDx(2-4)D, FARM）和半胱氨酸富集基序（CxxxC）在不同亚家族中存在差异。
3.5. 阴香不同器官及叶片发育过程中CbIDS基因的转录组表达谱分析
表达谱分析显示，不同CbIDS基因具有组织特异性和发育阶段特异性表达模式。例如，IDS-a亚家族的CbIDS8和CbIDS12在叶片发育早中期高表达；IDS-c亚家族的CbIDS4在叶片中高表达，且在叶片发育中期表达量最高；IDS-d和IDS-e亚家族的多个成员在龙脑型植株的叶片中特异性高表达，并与叶片发育阶段密切相关。不同化学型间的表达差异表明特定CbIDS基因（如CbIDS7）可能与龙脑化学型相关。
3.6. CbIDS蛋白的亚细胞定位分析
亚细胞定位预测和实验验证（如CbIDS8/11/13）表明，IDS-a, IDS-d, IDS-e亚家族成员可能定位于质体。IDS-c亚家族成员的预测结果在不同数据库间不一致。
3.7. CbIDS蛋白的原核表达及体外酶活功能验证
体外酶活实验证实了各亚家族代表成员的功能：CbIDS8和CbIDS12（IDS-a）具有FPPS活性；CbIDS4（IDS-c）具有GPPS活性；CbIDS1（IDS-d）具有GGPPS活性；CbIDS6/CbIDS11（GPPS.SSU）或CbIDS13（GPPS.LSU）单独无活性，但CbIDS13与CbIDS6或CbIDS11共同孵育时，可恢复GPPS活性，表明它们形成有功能的异源二聚体GPPS。
4. 讨论
研究讨论部分深入分析了各IDS亚家族的功能及其在阴香萜类多样性形成中的意义。IDS-a（FPPS）和IDS-d（GGPPS/GPPS.LSU）分别负责倍半萜和二萜前体合成。特别重要的是，研究证实了阴香中存在有活性的同源二聚体GPPS（IDS-c, CbIDS4），以及需要GPPS.LSU（IDS-d, CbIDS13）和GPPS.SSU（IDS-e, CbIDS6/11）协同作用的异源二聚体GPPS。这种GPPS的多样性为单萜（包括龙脑）的合成提供了多种调控节点。表达模式分析进一步提示，不同CbIDS基因的表达特异性可能共同决定了阴香的化学型（如龙脑型）。研究还指出，CbIDS基因家族的扩张可能通过片段重复发生，其启动子区含有丰富的激素响应、光响应及胁迫响应元件，暗示其表达受到复杂调控。
5. 总结
本研究系统鉴定了阴香IDS基因家族，明确了各亚家族成员在催化萜类前体（GPP, FPP, GGPP）合成中的功能，特别是阐明了异源二聚体GPPS的工作机制。这些发现为理解阴香萜类化合物（尤其是龙脑）生物合成的分子基础提供了关键信息，对通过遗传手段改良阴香精油品质具有重要指导意义。
