Modulation of Phytoalexin Biosynthesis in Engineered Plants for Disease Resistance
- 作者
- Philippe Jeandet, Christophe Clément, Eric Courot, Sylvain Cordelier
- 单位
- Laboratory of Stress, Defenses and Plant Reproduction, Research Unit "Vines and Wines of Champagne", UPRES EA 4707, Faculty of Sciences, University of Reims, P.O. Box 1039, Reims 51687, France
- 杂志
- International Journal of Molecular Sciences（2013）
- DOI
- 10.3390/ijms140714136
- 所属领域
- 代谢工程/植物病理学
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过基因工程调控植保素（phytoalexin）的生物合成，从而增强植物对病原菌的抗病性。
研究策略
综述了两种主要策略：一是直接改造植保素生物合成基因（如芪合酶、异黄酮合酶等），通过获得或失去功能（gain-/loss-of-function）改变植保素积累；二是间接调控上游信号途径，包括转录因子、MAPK级联、植物激素（生长素、ABA、细胞分裂素等）以及防御相关激发子基因，以调节植保素的合成。
核心内容
该论文系统综述了通过代谢工程调控植保素生物合成以增强植物抗病性的研究进展。作者归纳了两类主要策略：一是直接改造植保素合成基因，如将葡萄芪合酶基因Vst1/Vst2转入烟草等异源植物，首次证实异源表达芪类植保素可提高对灰霉病的抗性；苜蓿过表达IOMT使medicarpin含量从对照的30 μg/g鲜重提升至67 μg/g，病斑面积减少约60%。二是间接调控上游信号通路，包括MAPK级联、转录因子及植物激素信号。在拟南芥中激活MAPK可使PAD3表达量提高400倍，而mpk3/mpk6双突变体camalexin完全丧失；水稻中组成型激活OsRac1使momilactone A积累增加19至180倍，烟草中细胞分裂素介导的抗性使capsidiol和scopoletin分别增加4.6倍和6.4倍。综述表明，直接改造合成基因存在偶然性，而调控上游信号网络和激素交叉互作能更全面地重塑植保素代谢，未来应整合多基因策略实现抗病性的精细优化。
创新点
系统总结了正反向遗传学在植保素工程中的应用，强调激素信号交叉调控（如ABA负调控、细胞分裂素正调控）和MAPK级联在植保素积累中的关键作用，并指出直接工程化合成基因的偶然性和间接工程化调控网络的潜力。
研究对象（34）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 苯丙烷/芪类生物合成 | Vst1, Vst2 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 异源表达葡萄STS基因，首个证明异源植保素表达提高对Botrytis cinerea抗性的案例 |
| 苜蓿 (Medicago sativa) | 芪类生物合成 | AhRS | stilbene synthase (STS) | 催化 | 转化花生STS基因，增强对Phoma medicaginis的抗性 |
| 葡萄砧木41-B (Vitis vinifera) | 芪类生物合成 | Vst1 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 受病原菌诱导型PR10启动子调控，体外抗Botrytis cinerea |
| 水稻 (Oryza sativa) | 芪类生物合成 | Vst1 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 抗稻瘟病Piricularia orizae |
| 大麦 (Hordeum vulgare) 和小麦 (Triticum aestivum) | 芪类生物合成 | Vst1 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 提高对Botrytis cinerea和白粉病的抗性 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 芪类生物合成 | Vst1, Vst2 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 抗晚疫病Phytophthora infestans |
| 小麦 (Triticum aestivum) | 芪类生物合成 | Vst1, Vst2 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 抗叶锈病Puccinia recondita和颖枯病Septoria nodorum |
| 番木瓜 (Carica papaya) | 芪类生物合成 | Vst1 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 抗Phytophthora palmivora |
| 地黄 (Rehmannia glutinosa) | 芪类生物合成 | AhRS3 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 抗Fusarium oxysporum，积累resveratrol glycoside |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 芪类生物合成 | PcRS | stilbene synthase (STS) | 催化 | 来自虎杖（Polygonum cuspidatum），积累trans-picoid，抗Colletotrichum higginsianum |
| 白杨 (Populus alba) | 芪类生物合成 | StSy, pinosylvin synthase | stilbene synthase (STS) | 催化 | 未增加对Melaspora pulcherrina（锈病）的抗性 |
| 猕猴桃 (Actinidia deliciosa) | 芪类生物合成 | pSV25 | stilbene synthase (STS) | 催化 | 未提高对Botrytis cinerea的抗性 |
| 苜蓿 (Medicago sativa) | 异黄酮/紫檀素植保素生物合成 | IOMT | isoflavone O-methyltransferase | 催化 | 过表达使medicarpin含量2.5倍于对照（67 vs 30 μg/g鲜重），病变面积减少约60% |
| 苜蓿 (Medicago sativa) | 异黄酮生物合成 | MtIFSI | isoflavone synthase (IFS) | 催化 | 组成型表达积累genistein、daidzein等，感染后formononetin达46-77 μg/g鲜重 |
| 豌豆 (Pisum sativum) 毛状根 | 紫檀素植保素 (pisatin) 生物合成 | IFR, HMM | isoflavone reductase, 6α-hydroxymaackiain 3-O-methyltransferase | 催化 | 反义HMM降低pisatin积累，增加对Nectria haematococca的敏感性 |
| 大豆 (Glycine max) | 5-脱氧异黄酮/大豆素 (glyceollin) 生物合成 | IFS, CHR | isoflavone synthase, chalcone reductase | 催化 | RNAi沉默导致90%抑制5-脱氧异黄酮和glyceollin，丧失对Phytophthora sojae的抗性和HR细胞死亡 |
| 高粱 (Sorghum bicolor) | 3-脱氧花青素植保素生物合成 | y1 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 功能缺失导致3-脱氧花青素缺失和炭疽病严重症状 |
| 玉米 (Zea mays) | 3-脱氧黄酮生物合成 | pr1 | 黄酮3'-羟化酶 (CYP450) | 催化 | 调控luteoforol等前体形成，功能缺失影响植保素积累 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | camalexin生物合成（色氨酸-吲哚途径） | CYP79B2, CYP71B15 (PAD3), ASA, ASB, PAT, IGPS, TSB | 细胞色素P450酶及色氨酸合成相关酶 | 催化 | MAPK激活后PAD3表达增加400倍，CYP79B2增加50倍，TSB增加35倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MAPK信号通路/camalexin生物合成 | MPK3, MPK6 | 丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK) | 调控 | mpk3突变使camalexin减少50%，mpk6突变延迟，mpk3/mpk6双突变体完全消失，对灰霉病更敏感 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | camalexin生物合成 | WRKY40, WRKY18 | WRKY转录因子 | 调控 | 调控细胞色素P450单加氧酶CYP71A13的表达 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MAPK级联信号 | MEKK1, MKK4, MKK5 | MAPKKK, MAPKK | 调控 | 组成型激活突变体诱导camalexin积累 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 防御信号传导/植保素积累 | OsACDR1 | Raf类MAPKKK | 调控 | 过表达使sakuranetin提高4倍，momilactone A提高32倍，增强对Magnaporthe grisea抗性 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 防御信号传导/植保素积累 | OsRac1 | 小GTP酶 (Rac/Rop) | 调控 | 组成型激活使momilactone A提高19-180倍，增强稻瘟病和白叶枯病抗性 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 植保素积累 | OsSBP | 硒结合蛋白同源物 | 调控 | 过表达使momilactone A提高20-25倍，增强稻瘟病和白叶枯病抗性 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 钙信号/植保素积累 | OsCIPK14, OsCIPK15 | CBL互作蛋白激酶 (CIPK) | 调控 | 过表达增加momilactone和phytocassane积累；RNAi抑制PAMP诱导的植保素合成 |
| 水稻 (Oryza sativa) | momilactone生物合成 | OsTGAP1 | TGA类转录因子 | 调控 | 正调控OsKSL4等基因表达，elicitor处理后超量积累momilactone |
| 棉花 (Gossypium hirsutum) | 棉酚 (gossypol) 等倍半萜植保素生物合成 | AtNPR1 | NPR1 (病程相关基因非表达子1) | 调控 | 过表达AtNPR1提高gossypol及衍生萜类含量，增强对Verticillium dahliae的抗性 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 香豆素植保素 (scopoletin) 糖基化 | Togt1, Togt2 | UDP-葡萄糖基转移酶 (TOGT) | 催化 | 反义抑制使scopolin积累减少70%-75%，TMV病斑面积增加63% |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | capsidiol倍半萜植保素生物合成 | EAS, EAH | 5-epi-aristolochene synthase, 5-epi-aristolochene hydroxylase | 催化 | ABA缺陷突变体中表达增强，capsidiol积累量为野生型的2倍 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 细胞分裂素合成/植保素积累 | ipt | 异戊烯基转移酶 (isopentenyl transferase) | 催化 | 过表达使capsidiol和scopoletin分别提高4.6倍和6.4倍，抗Pseudomonas syringae pv tabaci |
| 水稻 (Oryza sativa) | 生长素信号/防御反应 | OsGH3.1, OsGH3.8 | 吲哚-3-乙酸酰胺合成酶 | 调控 | 过表达降低生长素含量，增强防御反应和对Magnaporthe grisea的抗性 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 生长素信号/植保素代谢重定向 | AFB1, miR393 | 生长素受体AFB1, 微小RNA miR393 | 调控 | 抑制生长素信号使代谢从camalexin转向更抗真菌的硫代葡萄糖苷 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | camalexin生物合成 | PAD1, PAD2, PAD3, PAD4, PAD5 | 植保素缺陷相关蛋白/酶 | 调控 | pad3-1突变体对Alternaria brassicicola更敏感，但对Botrytis cinerea抗性不受影响（camalexin缺失但PR基因起作用） |
关键发现
- 将葡萄Vst1/Vst2 STS基因转入烟草，首次证明异源植保素表达可提高对Botrytis cinerea的抗性。
- 苜蓿过表达IOMT使medicarpin含量达67 μg/g鲜重（对照30 μg/g），病变面积减少约60%。
- 拟南芥中MAPK激活后PAD3基因表达增加400倍、CYP79B2增加50倍、TSB增加35倍；mpk3/mpk6双突变体camalexin完全消失，对灰霉病敏感性增加。
- 水稻OsACDR1过表达使sakuranetin和momilactone A分别增加4倍和32倍；OsRac1组成型激活使momilactone A增加19-180倍；OsSBP过表达使momilactone A增加20-25倍。
- 烟草细胞分裂素介导的抗病性使capsidiol和scopoletin分别增加4.6倍和6.4倍。
- 反义抑制TOGT使scopolin积累减少70%-75%，TMV病斑面积增加63%。
研究结论
植保素工程是提高植物抗病性的有效策略，但效果因植物种类和病原菌组合而异。直接改造植保素合成基因（如STS、IOMT等）可增强抗性，但存在不确定性；间接调控上游信号途径（MAPK、转录因子、植物激素等）能更全面地调节植保素积累，并提示激素交叉调控和代谢通道化在植保素工程中的重要性。未来应整合多基因策略和精细调控网络以优化抗病性。