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香茅因其香味、药用价值和防御特性而广受重视，但其特征性香茅类化合物的遗传基础仍不清楚。
香茅因其香气、药用价值和防御特性而广受重视，但其特征性香茅类化合物的遗传基础一直不甚明了。一项新的多组学研究首次解析了两种香茅属植物的单倍型染色体水平基因组，揭示了香茅类化合物生物合成的进化和细胞基础。通过整合基因组学、转录组学、代谢组学和单细胞RNA测序技术，研究人员鉴定出与香茅醛和香茅醇生成密切相关的关键候选基因，包括萜烯合酶（TPS）、醇脱氢酶（ADH）和还原酶家族的成员。这些发现为解释这些具有重要经济价值的代谢物的物种分化和组织特异性积累提供了分子框架。
香茅醛和香茅醇等香茅类化合物在植物防御和生态通讯中发挥作用，并广泛应用于医药和精油领域。在禾本科植物中，香茅属（Cymbopogon）物种在香茅类化合物的积累方面表现出显著差异，然而这些化合物的进化起源和生物合成调控机制仍知之甚少。高质量参考基因组的缺乏限制了功能基因的鉴定和比较进化分析。此外，香茅类化合物生物合成的细胞区室化机制也尚未阐明。鉴于这些挑战，迫切需要进行全面的基因组组装和整合多组学分析，以解析香茅类化合物生物合成的分子机制。
中山大学的研究人员在
《园艺研究》（Horticulture Research，2026）上发表了香茅（Cymbopogon winterianus）和远香茅
（Cymbopogon distans）的首个单倍型解析参考基因组
（DOI：10.1093/hr/uhaf287 ） 。该团队利用PacBio HiFi和Hi-C测序技术，组装了高质量的二倍体和四倍体基因组，并对21种植物进行了比较进化分析。本研究通过代谢组-转录组关联分析和叶片单细胞RNA测序，鉴定了香茅类化合物生物合成的候选基因及其细胞类型特异性表达模式，为禾本科植物萜类化合物的进化提供了新的见解。
研究人员分别组装了二倍体香茅
（C. winterianus）和四倍体香茅
（C. distans）的1.49 Gb和2.58 Gb基因组，完整度达99.1%。比较分析显示，香茅与高粱（Sorghum bicolor）具有高度染色体共线性，表明二者具有共同的全基因组复制历史，并在大约1920万年前发生分化。
基因家族分析显示，禾本科植物中
早期萜类化合物合成途径基因（包括3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGS）、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR）和异戊烯基二磷酸异构酶（IDI ））显著扩增。值得注意的是，香茅属植物中萜烯合酶（TPS）基因显著扩增，这与其丰富的挥发性成分相符。
代谢组学分析鉴定出1158种挥发性化合物，其中萜类化合物占比最大。香茅醛、香茅醇、香叶醇及相关单萜主要积累于叶片中。整合相关性分析确定了19个与香茅类化合物含量密切相关的候选基因（R>0.99），包括7个TPS基因、5个ADH基因、2个OPR基因和5个CAR基因。
单细胞RNA测序进一步揭示了空间特化：大多数候选TPS基因在叶肉细胞中高表达，表明该细胞类型是关键的代谢枢纽。同时，脱氢酶和还原酶表现出细胞类型特异性模式，暗示叶片内存在代谢区室化。这些发现共同绘制了从基因组进化到细胞分辨率的香茅类化合物生物合成图谱。
“这是我们首次能够从进化历史追溯香茅类化合物的生物合成，直至特定的叶片细胞类型，”通讯作者表示。“通过整合基因组组装、代谢组学和单细胞转录组学，我们能够将基因家族扩增、通路多样化和细胞表达特化联系起来。这些结果不仅阐明了香茅如何产生其特征化合物，而且为未来的功能验证和代谢工程奠定了基因组基础。”新生成的基因组资源为香茅属植物的
分子育种和精油优化提供了平台。鉴定出TPS、ADH、OPR和CAR相关的候选基因，使得针对性地调控香茅类化合物的组成成为可能，从而应用于医药和工业领域。此外，细胞类型特异性表达模式的发现，为通过调控代谢途径区室化实现精准代谢工程开辟了新的途径。除了香茅之外，本研究还为理解单子叶植物和芳香植物中萜类化合物的进化提供了一个比较框架。随着对植物源生物活性化合物的需求不断增长，将高分辨率基因组学与细胞转录组学相结合，有望加速其他具有重要经济价值的物种的驯化和代谢增强。
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