紫杉（Picea purpurea）中组织特异性转录组学及萜烯合成酶基因的进化动态

《Gene》：Tissue-specific transcriptomics and evolutionary dynamics of terpene synthase genes in Picea purpurea

本研究整合云杉 purpurea 长读/短读转录组数据，鉴定出四组织共39,156个非冗余转录本，其中61.52%广泛表达，6.15%组织特异性并显著富集于萜类生物合成。系统发育基因组学分析25种松柏类植物1642个萜烯合酶（TPS）基因，揭示TPS-d1/d2/d3亚科分化，泛基因组比较显示74个TPS正交群组，含6核心保守家族及38族特异性扩展，阐明该属极端环境适应的分子机制。

　　

Xuelin Chen | Yaolin Wang | Fuzhong Han | Meng Xu | Tengfei Shen

中国黄南藏族自治州梅秀森林农场，邮编811300

摘要

本研究提供了青藏高原特有针叶树Picea purpurea的全面转录组图谱，整合了全长和短读长转录组数据。我们在四种组织（根、茎、针叶和球果）中鉴定出39,156个非冗余转录本，其中61.52%的转录本在多种组织中均有表达，6.15%的转录本具有组织特异性。组织特异性转录本在次生代谢途径中显著富集，尤其是在萜类化合物的生物合成过程中。通过对25种裸子植物（涵盖现存裸子植物目中的75%）的1642个萜类合成酶（TPS）基因进行系统发育分析，更新了三类裸子植物特有亚科的分类：TPS-d1（单萜类合成酶）、TPS-d2（倍半萜类合成酶）和TPS-d3（二萜类合成酶）。通过对六个Picea物种的全基因组比较，我们发现了74个TPS基因直系群，包括6个核心保守的亚科和38个具有谱系特异性的扩展。这些发现阐明了这一生态关键属中萜类化合物多样化的分子基础。

引言

裸子植物在陆地生态系统中起着关键作用，既是主要的碳汇，也是独特生物群落的基础组成部分（Liu等人，2025年）。裸子植物大约包含1000个现存物种，分为三个谱系：松柏类（Pinopsida）、银杏类（Ginkgoopsida）和苏铁类（Cycadopsida）（Yang等人，2022年）。其中，松柏类的分布最广，生态影响最大，包括经济上重要的松科（Pinaceae）和柏科（Cupressaceae）（Brown，2018年；Ran等人，2018年）。裸子植物以其产生的多种次生代谢产物而闻名——尤其是萜类化合物和酚类化合物——这些化合物有助于环境适应，并具有巨大的工业和药用价值（Shen等人，2021年；Ding等人，2023年）。

萜类化合物是植物次生代谢产物中最大的一类（Alicandri等人，2020b年），它们在植物生理中发挥广泛作用，协调生长和发育，介导授粉，并增强对影响光合作用的生物和非生物胁迫的抵抗力（Loreto等人，2014年；Li等人，2023年）。根据碳骨架长度，萜类化合物可分为单萜类（C10）、倍半萜类（C15）和二萜类（C20）（Ashour等人，2018年）。它们的生物合成由TPS基因调控，这些基因将香叶基焦磷酸（GPP）、法尼基焦磷酸（FPP）和香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）等前体环化成结构多样的骨架（Pu等人，2021年）。从系统发育学角度来看，TPS基因分为七个亚科（TPS-a至TPS-h），其中TPS-d亚科是裸子植物特有的（Celedon和Bohlmann，2019a）。TPS-d亚科内的功能分化已有充分记录：TPS-d1主要合成单萜类（Diao等人，2022年），TPS-d2产生倍半萜类（Mei等人，2020年），TPS-d3参与二萜类的合成（Ma等人，2019年）。然而，当前研究表明不同裸子植物谱系具有不同的二萜类代谢途径（Mao等人，2023年；Wang等人，2025年），这种化学表型多样性可能是长期适应复杂生境的进化结果。

尽管裸子植物在生态和经济上具有重要意义，但由于其基因组规模庞大且重复序列含量高，导致基因组组装难度较大（Niu等人，2022年）。尽管第三代测序技术（如PacBio HiFi和ONT超长读长）的进步提高了基因组组装效率（Rhoads和Au，2015年；Marks等人，2021年；Wang等人，2021年），但对于裸子植物而言，这一过程仍然成本高昂且技术要求高（Wan等人，2022年）。因此，基于转录组的方法成为一种可行的替代方案，可以在不进行全基因组测序的情况下实现基因表达分析和功能研究（Kumar和Olson，2019年）。

Picea purpurea是一种原产于青藏高原东部高山生态区的特有针叶树，具有高度专业化的生态位偏好。该物种的分布范围非常狭窄且不连续，仅分布于青海、四川和甘肃省过渡带的2800至3600米海拔范围内的亚高山高湿度和阴凉微生境中（Cao等人，2021年）。作为亚高山暗针叶林生态系统中的关键构建物种，P. purpurea演化出了独特的生态生理适应性，这对调节区域水文制度、减缓土壤退化和维持重要生态系统服务至关重要。在这项研究中，我们采用了一种综合方法，结合了长读长转录组和短读长RNA-seq数据，系统地分析了四种主要组织（根、茎、针叶和球果）的基因表达谱，从而确定了组织特异性的转录特征。利用这些数据，我们构建了一个蛋白质-蛋白质相互作用网络来解码表达转录本之间的功能关系，并对25种裸子植物的萜类合成酶（TPS）基因家族进行了系统发育分析，揭示了代谢多样化的进化轨迹。重要的是，我们首次为Picea属建立了全面的TPS基因家族框架，识别出了深度保守的TPS亚科和具有谱系特异性的扩展——这些都是适应性代谢创新的关键决定因素。这项研究不仅极大地丰富了裸子植物的转录组资源，还为解读这些生态和经济上重要物种的次生代谢分子机制提供了重要基础，特别是对于极端环境下的适应性进化具有特别意义。

研究片段

植物材料与高通量测序

使用RNeasy Plus Mini Kit（Qiagen，德国希伦）从P. purpurea的根、茎、针叶和球果中提取总RNA。为了构建PacBio SMRT文库，将来自根、茎、针叶和球果的等摩尔量的总RNA混合后，使用Clontech SMARTer PCR cDNA合成试剂盒（Clontech，美国山景城）进行反转录生成cDNA。所得cDNA在PacBio RS II平台（Pacific Biosciences，美国门洛帕克）上进行测序

P. purpurea中的全长异构体和NGS转录本整合

为了全面表征P. purpurea的转录组，我们使用根、茎、针叶和球果的混合样本以及12个下一代测序（NGS）转录组文库（每种组织三个生物学重复样本）构建了一个全长转录组文库。处理后，单分子实时（SMRT）测序数据产生了39,235个全长非嵌合（FLNC）异构体，平均长度为2232 bp，N50为2411 bp。

讨论

在这项研究中，我们通过整合第三代和第二代测序技术，系统地生成了P. purpurea四种组织的高质量转录组谱型。表达模式分析显示，61.52%的转录本在多种组织中均有表达，而6.15%的转录本具有组织特异性。值得注意的是，组织特异性转录本在次生代谢途径中显著富集，尤其是在萜类化合物的生物合成过程中。

CRediT作者贡献声明

Xuelin Chen：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源收集、方法学设计、研究实施、资金获取、数据分析、数据管理、概念构建。Yaolin Wang：研究实施。Fuzhong Han：资源收集、研究实施。Meng Xu：可视化、研究实施、概念构建。Tengfei Shen：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。