萜类化合物(terpenoid)是植物次生代谢产物中种类最多、结构最为复杂的天然产物,具有重要的生理、生态作用和药用价值。它们可以作为植物激素的合成前体,参与植物生长和发育的调节,例如独角金内酯(strigolactones)、脱落酸(abscisic acid,ABA)等,能够吸引授粉者以及抵御病原菌与植食性动物,例如(E)-a-香柑油烯、(E)-β-金合欢烯等。萜类合成酶(terpenoid synthase,TPS)是在萜类化合物的合成过程中起关键作用的酶。在植物体内,萜类化合物可通过两条不同途径合成,即甲羟戊酸(mevalonate,MVA)途径与甲基赤藓糖磷酸(2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate,MEP)途径。目前己在拟南芥、葡萄、杨树、水稻、番茄、棉花、高粱、玉米、大豆、小立碗藓以及江南卷柏等植物中对TPS在全基因组范围内进行了鉴别与分析。十字花科(Brassicaceae)植物具有较高的经济价值并且与人类生活密切相关,包含了芸薹属、萝卜属等油料与蔬菜作物,桂竹香属、紫罗兰属等观赏植物,以及菘蓝属、糖芥属等药用植物。目前已经有很多重要的萜类化合物在十字花科植物中被识别,比如(E,E)-香叶基芳樟醇、橙花叔醇等。鉴于十字花科植物萜类化合物的重要性以及TPS在萜类合成中的重要作用,人们己经在模式植物拟南芥中进行了系统研究,而对其它十字花科植物研究尚少。越来越多十字花科植物基因组的测序完成,为我们利用生物信息学手段在全基因组范围内对TPS进行系统鉴定和比较基因组分析提供了可能。本研究以12种己测序完成的十字花科植物阿拉伯岩芥(Aethionema arabicum)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(Arabidopsis lyrata)、荠菜(Capsella rubella)、山嵛菜(Eutrema salsugineum)、白菜(Brassica rapa)、甘蓝(Brassica oleracea)、油菜(Brassica napus)、亚麻荠(Camelina sativa)、Leavenworthia alabamica、水蒜芥(Sisymbrium irio)、小芥(Schrenkiellaparvula)为研究对象(以木瓜(Cfarica papaya)作为外群),首先对这些植物中的TPS基因进行了系统识别,然后对TPS基因的序列特征、功能进化以及蛋白结构域进行了系统分析,最后对这些十字花科植物中的TPS进行了共线性分析,这为进一步实验研究这些TPS基因的功能提供理论基础,我们的研究结果显示:1.以隐马尔科夫模型(Hidden Markov models,HMM)为预测模型,本研究从13种植物中获得335条全长的TPS家族基因,其中12个十字花科植物325个,木瓜10个,每个物种的TPS数目在10-68之间,木瓜的最少,为10个,亚麻荠的最多,为68个。2.基因信息和染色体定位结果。研究发现TPS基因序列的长度在各个物种之间的差异较小,蛋白质序列的长度大约在426～822aa之间,编码序列的平均长度在1718～1936nt之间,基因序列的长度在3166～5624nt之间。染色体上定位研究发现,TPS基因在染色体上存在46处串联复制,涉及108个TPS基因,我们推测串联复制是TPS基因扩增的主要方式。3.基因特征和结构分析结果。通过对TPS家族基因的一些特征值进行计算,GC含量与GC3的值都在0.4左右浮动,ENc值都大于40,CAI的值都在0.2附近,我们预测出TPS基因在进化过程中较为保守。TPS基因结构分析结果显示TPS基因在各个物种中外显子数目在5～10之间的基因数目所占比重最大,均能达到总TPS基因数目的50%以上,琴叶拟南芥、拟南芥、水蒜芥不含外显子≤5的TPS基因。4.系统进化与蛋白质结构域分析结果。对TPS基因的系统进化分析显示,TPS基因可以分为 5 个亚家族,TPS-a、TPS-b、TPS-c、TPS-e/f 与 TPS-g。TPS-a 与 TPS-b两个亚家族所含TPS基因数目最多,占到总数的80.6%,TPS-g亚家族中TPS基因数目最少并且在个别物种的进化过程中丢失。对于不同的亚家族,我们又进一步分析了其蛋白质结构域,5个亚家族中TPS基因的Motif数目大多在7-10个之间,具有一定的保守性,各个亚家族Motif的数量以及具有规律性的分布验证了我们对TPS基因分为5个亚家族的准确性。5.共线性分析结果。本研究选取9条功能已知的拟南芥TPS基因分析其与其他十字花科植物基因共线性关系,各基因与其余物种的共线性基因数目在78～155个之间,暗示了各物种间的TPS基因在进化上具有一定的关联性,再次揭示了 TPS基因在各个物种之间的保守性较高。结论:在十字花科植物以及作为外群的木瓜中鉴定出335个全长的TPS基因,丰富了高等植物TPS基因的资源,对这些TPS基因进行了多种生物信息学分析,这将为我们进一步筛选出功能TPS奠定理论基础。尽管我们的预测模型不能完全解释TPS家族基因的进化机制,但我们的研究有助于人们对TPS基因家族进行进一步了解。