Isoprene production in transgenic tobacco alters isoprenoids, non- structural carbohydrates and phenylpropanoids metabolism, and protects photosynthesis from drought stress
- 作者
- Massimiliano Tattini, Violeta Velikova, Claudia Vickers, Cecilia Brunetti, Martina Di Ferdinando, Alice Trivellini, Silvia Fineschi, Giovanni Agati, Francesco Ferrini, Francesco Loreto
- 单位
- Institute for Plant Protection, Department of Biology, Agriculture and Food Sciences, The National Research Council of Italy (CNR), Sesto Fiorentino (Florence), Italy; Institute of Plant Physiology and Genetics, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria; Department of Biodiversity and Molecular Ecology, Research and Innovation Centre, Fondazione Edmund Mach, S. Michele all'Adige (TN), Italy; Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, The University of Queensland, St Lucia, Queensland, Australia; Department of Agri-Food and Environmental Sciences, University of Florence, Sesto Fiorentino (Florence), Italy; Department of Agriculture, Food and Environment, University of Pisa, Pisa, Italy; Institute for Applied Physics, Department of Physics, The National Research Council of Italy (CNR), Sesto Fiorentino (Florence), Italy; Department of Biology, Agriculture and Food Sciences, The National Research Council of Italy (CNR), Rome, Italy
- 杂志
- Plant, Cell & Environment（2015）
- DOI
- 10.1111/pce.12350
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究转基因烟草中异戊二烯的合成是否通过影响异戊二烯/类胡萝卜素（MEP途径）、苯丙烷和糖代谢，在干旱胁迫下保护光合作用并增强植物抗旱性。
研究策略
利用表达毛白杨异戊二烯合酶的转基因烟草（IE）及其无转基因分离系（NE），比较严重干旱及复水过程中光合气体交换、叶绿素荧光、异戊二烯释放、非挥发性异戊二烯（类胡萝卜素、ABA）、非结构性碳水化合物和苯丙烷类代谢物的差异。
核心内容
该研究通过表达毛白杨异戊二烯合酶的转基因烟草及其分离系，探究异戊二烯合成在干旱胁迫下对光合作用和代谢网络的保护机制。研究发现，充分供水时转基因株系异戊二烯释放约2 nmol m⁻² s⁻¹，轻度干旱时几乎加倍，严重干旱时虽降至胁迫前一半，但释放碳占同化碳比例增至2–3倍。干旱胁迫下转基因株系光合速率和气孔导度下降幅度显著小于对照，PSII最大光化学效率更高，复水后恢复更好。严重干旱时转基因叶片ABA含量较充分浇水时增加超700%，并显著高于对照；淀粉降解和己糖积累更显著；总苯丙烷含量高出50–150%，复水时苯丙烷合成速率归一化为2.36 mmol mol⁻¹ CO₂，远超对照的0.59。叶黄素循环脱环氧化状态及玉米黄质含量也显著高于对照。结果表明，异戊二烯合成通过降低DMADP反馈抑制、上调糖信号和ABA信号，协同激活非挥发性异戊二烯和苯丙烷代谢，构成广谱抗逆启动机制，为植物抗逆代谢工程提供了新思路。
创新点
首次在非天然异戊二烯释放植物中证明异戊二烯合成可触发MEP途径下游非挥发性异戊二烯（ABA、叶黄素循环色素）和苯丙烷代谢的协同上调，并为‘胁迫超敏/启动’假说提供代谢证据。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Samsun） | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | Populus alba异戊二烯合酶基因（IspS） | 异戊二烯合酶 | 催化 | 转基因IE品系异源表达该酶，催化DMADP生成异戊二烯，导致叶片释放异戊二烯 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Samsun） | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径的关键限速酶，文中推测DMADP积累可能对其产生反馈抑制 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Samsun） | 苯丙烷/类黄酮代谢 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | ABA上调表达，参与苯丙烷合成 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Samsun） | 苯丙烷/类黄酮代谢 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | ABA上调表达，参与类黄酮合成 |
| — | — | PAP1 | MYB转录因子 | 调控 | 文献报道PAP1可增强苯丙烷和挥发性萜类合成，本文讨论其潜在作用 |
关键发现
- ['充分供水时IE株系异戊二烯释放约2 nmol m⁻² s⁻¹，占光合固碳<0.1%
- 轻度干旱（FTSW 68%）时几乎加倍，严重干旱（FTSW 24%）时降至胁迫前约一半，但释放碳占同化碳比例增至2–3倍（仍<0.3%）。', '干旱胁迫下IE株系光合速率Pn和气孔导度gs的下降幅度显著小于NE
- FTSW 24%时IE的PSII最大光化学效率Fv/Fm显著高于NE
- 复水后IE的Pn恢复更好。', '严重干旱时IE叶片ABA含量较充分浇水时增加>700%，并显著高于NE
- 复水后仍保持至少4倍高于胁迫前，且IE显著高于NE。', '严重干旱时IE叶片淀粉降解和己糖（葡萄糖、果糖）积累显著高于NE，复水后己糖仍维持高水平且IE更高。', '干旱和复水期间IE叶片总苯丙烷含量较NE高50–150%
- 复水时苯丙烷合成速率归一化为2.36 mmol mol⁻¹ CO₂（IE）vs 0.59 mmol mol⁻¹ CO₂（NE）
- 槲皮素/山奈酚衍生物比值由胁迫前1.8升至严重干旱2.45、复水3.32。', '干旱胁迫下IE叶片花药黄质和玉米黄质含量及叶黄素循环脱环氧化状态（DES）显著高于NE
- 复水后IE的玉米黄质增加约3倍（NE增加约2倍），lutein和β-胡萝卜素在IE显著积累（lutein从0.81增至1.13 μmol g⁻¹ DW，β-胡萝卜素从0.49增至0.86 μmol g⁻¹ DW），NE未见此积累。']
研究结论
异戊二烯合成使转基因烟草在严重干旱和复水过程中获得更好的光合保护；短期胁迫下异戊二烯作为快速保护剂，而在长期/严重胁迫下MEP途径产生的非挥发性异戊二烯（ABA、脱环氧化叶黄素）和苯丙烷发挥更持久保护。异戊二烯可能通过降低DMADP反馈抑制、上调糖信号和ABA信号，协调多种代谢途径，构成广谱抗逆的‘启动’机制。