项目文章 | 华南农业大学结合感官评价与多组学，解析观赏姜花花香类型形成并挖掘关键香气合成功能基因

         花香是观赏花卉极具价值的园艺性状，由多种挥发性有机物共同决定。目前很多花卉花香研究仅依靠仪器检测挥发性物质，忽略人的嗅觉感官反馈，造成仪器化学检测结果和实际嗅觉感受相互脱节，同时缺少标准化的感官评价体系，制约花卉花香形成机制解析。

         在此研究背景下，华南农业大学园艺学院观赏植物研究中心在期刊Horticulture Research上发表了一篇题为“From fragrance wheel to functional genes: a multi-omics investigation into fragrance type formation in ornamental Hedychium flowers”的研究。研究以姜花属种质为试验材料，结合花瓣转录组、挥发性代谢组、PTR‑ToF‑MS活体挥发组三套组学手段，依托人工感官评价划分花香表型，开展统计分析并通过分子生化实验完成关键花香合成基因的功能验证。

文章题目：From fragrance wheel to functional genes: a multi-omics investigation into fragrance type formation in ornamental Hedychium flowers

期刊名称：Horticulture Research

影响因子：9.5

发表时间：2026年2月

合作单位：华南农业大学园艺学院

研究方法：花瓣转录组、挥发性代谢组、PTR‑ToF‑MS活体挥发组

研究思路：

材料与方法

        25份姜花属种质，筛选得到30份代表性材料，涵盖6种花香类型：浓花香型、果香型、药草香型、冷‑刺激香型、清茶香型、无香型；采集盛花期花瓣，用于感官评价、挥发性物质采集与转录组测序；以大肠杆菌、本氏烟草作为体外酶活、瞬时过表达的异源表达宿主。

主要结果

※ 姜花属花香感官评价与香气轮盘构建          

         通过46个感官描述词做层次聚类，筛选得到10个一级、27 个二级香气描述词汇，构建姜花专属香气轮盘；依据感官打分，把30份姜花种质划分为‘浓花香、果香、药草香、冷‑刺激香、清茶香、无香’六大花香类型，为后续挥发性代谢组样本分组提供表型基础。

图1 香气感官评价轮的构建及代表性香型的筛选

※ 挥发性代谢组分析不同花香姜花的VOC特征            

        在全部样本中共鉴定得到81种挥发性有机物；浓花香、果香型单萜类物质释放量最高；药草香型酯类物质占比突出；无香型整体挥发物丰度显著更低；不同花香类型拥有各自标志性的挥发物组分，证明代谢层面化学物质差异是花香感官分化的物质基础。同时结合感官数据，建立各类挥发物和甜、果香、药草香等感官属性的对应关联。

图2 花香挥发物组成分析

※ PTR‑ToF‑MS活体挥发组质谱特征分析              

        PTR‑ToF‑MS活体无损采集花瓣顶空，得到68个质谱特征峰；统计六大花香类型m/z信号的平均占比与绝对强度，筛选得到12个释放量>100 μg・L⁻¹的高丰度特征质谱标记；不同花香类型质谱图谱区分度良好，证实PTR‑ToF‑MS可以作为快速高通量的花香表型筛查手段，不需要色谱分离即可区分姜花不同花香类型，与GC‑MS结果可以互相印证补充。

图3 花香挥发物组成分析

※ 多组学联合PLS‑DA判别与关键变量挖掘            

         多套数据集对比发现，GCP+IT+ITP+PTR数据集判别效果最优，模型参数R^2Y>0.83、Q^2>0.5；通过VIP筛选得到大量区分花香类型的关键VOC标志物；构建代谢物‑质谱峰‑花香类型相关性网络图，把桉叶素、芳樟醇、乙酸苄酯等关键挥发物和对应的花香表型关联，为转录组挖掘提供代谢层面的先验信息。

图4 通过PLS-DA法识别驱动香型分化的关键变量

※ WGCNA共表达网络及候选基因功能验证

        WGCNA分析得到2个和花香性状高度相关核心模块：MEbrown（萜类合成相关模块）、MEyellow（苯丙素‑酯类合成相关模块）；从两个模块中筛选VIP得分靠前的HcTPS1、HmBEAT1作为重点候选基因。系统进化树分析基因分类地位；体外酶活证实HcTPS1以GPP为底物，主要催化生成桉叶素；HmBEAT1具备苄醇乙酰转移酶活性，催化生成乙酸苄酯；本氏烟草瞬时过表达进一步在植物体内重现产物合成，证明两个基因分别是冷刺激香型、药草香型特征挥发物合成的关键功能基因。

图6 影响香料类型及关键挥发性有机物的关键合成酶基因的功能表征

※ 整合多组学研究总框架示意图             

         汇总整篇研究完整技术链条：①感官评价构建香气轮盘；②挥发性代谢组仪器检测获取化学轮廓；③机器学习分类模型筛选标志物；④转录组‑WGCNA挖掘核心基因模块；⑤关键基因功能解析，建立“感官表型‑挥发物代谢‑基因”完整的花卉香气解析通用工作框架，可迁移应用于其他非模式观赏花卉的花香研究。

图7 感官香气多样性的机制基础所构建的综合分析框架

研究总结

        本研究构建了姜花属首个标准化花香感官评价轮盘，划分出六大典型花香类型，借助挥发性代谢组与活体挥发组解析不同花香的挥发性代谢物轮廓，明确单萜、苄基酯类物质分别是冷‑刺激香型、药草香型的特征代谢产物。结合转录组与WGCNA共表达网络，挖掘得到萜类、苯丙素合成两大核心基因模块，证实HcTPS1、HmBEAT1分别为桉叶素、乙酸苄酯合成的关键功能基因，从代谢与基因层面阐释姜花花香分化的内在机理。同时建立 “感官评价‑挥发物检测‑多组学挖掘‑基因功能验证” 的完整研究范式，可为其他观赏花卉的花香机理解析与分子育种提供方法参考，但花香是多物质协同感知的结果，后续仍需进一步挖掘上游调控因子。