Transgenic, non-isoprene emitting poplars don't like it hot
- 作者
- Katja Behnke, Barbara Ehlting, Markus Teuber, Martina Bauerfeind, Sandrine Louis, Robert Hänsch, Andrea Polle, Jörg Bohlmann, Jörg-Peter Schnitzler
- 单位
- Research Centre Karlsruhe, Institute for Meteorology and Climate Research (IMK-IFU), Kreuzekbahnstr. 19, 82467 Garmisch-Partenkirchen, Germany; Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, 2185 East Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada; Institute for Plant Biology, Technical University of Braunschweig, Humboldtstr. 1, 38206 Braunschweig, Germany; Institute for Forest Botany, Georg-August-University Göttingen, Bügenweg 2, 37077 Göttingen, Germany
- 杂志
- The Plant Journal（2007）
- DOI
- 10.1111/j.1365-313X.2007.03157.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
验证异戊二烯在植物热耐受性中的生理功能，特别是其对光合作用的保护作用。此前主要依赖抑制剂实验，存在非特异性效应，缺乏直接的分子遗传证据。
研究策略
通过农杆菌介导的遗传转化，在灰杨中利用RNAi沉默异戊二烯合酶基因（PcISPS）抑制异戊二烯排放，以及过表达PcISPS试图增加排放。对获得的转基因株系进行短期38-40°C高温循环处理，同步测量气体交换、叶绿素荧光和异戊二烯排放，比较异戊二烯排放株系与非排放株系的光合热耐受性。
核心内容
该研究通过农杆菌介导的遗传转化，在灰杨中利用RNAi技术沉默异戊二烯合酶基因PcISPS，获得几乎零异戊二烯排放的转基因株系，并设置过表达株系和野生型对照，以在无化学抑制剂干扰的遗传背景下验证异戊二烯对植物光合热耐受性的生理功能。在气候室和田间条件下对植株进行38至40摄氏度的短期高温循环处理，同步测定气体交换、叶绿素荧光和异戊二烯排放。结果显示，野生型在热胁迫下异戊二烯排放峰值达每平方米每秒10纳摩尔，而RNAi系排放几乎为零；每次高温事件中，野生型净同化率仅下降约15%，RNAi系则下降约33%且恢复不完全。RNAi系还表现出电子传递受损、非光化学淬灭显著升高（田间NPQ相对增加160%），同时叶片DMADP大量积累（田间从36升至约700皮摩尔每毫克干重），MEP途径基因表达下调。这些结果表明异戊二烯或其叶片内浓度对光合膜具有直接保护作用，维持净同化稳定，为异戊二烯的热保护生态生理功能提供了分子遗传学证据。
创新点
['利用RNAi技术首次在木本植物杨树中实现异戊二烯合成酶基因的稳定沉默，获得几乎零排放的株系，为验证异戊二烯生理功能提供了无化学抑制剂的遗传系统。', '结合气候室和田间试验，在更接近自然条件下证实异戊二烯缺乏导致光合热耐受性降低。', '发现异戊二烯抑制导致DMADP大量积累，并影响叶黄素循环和MEP途径基因表达，揭示了异戊二烯生物合成与光合保护之间的代谢联系。']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 灰杨（Populus × canescens） | 甲基赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | PcISPS | 异戊二烯合酶（ISPS） | 催化 | 催化DMADP脱磷酸生成异戊二烯；RNAi沉默株系异戊二烯排放几乎为零，过表达株系因共抑制也大多排放降低。 |
| 灰杨（Populus × canescens） | 甲基赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | PcDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR） | 催化 | MEP途径第一个限速酶；在RNAi株系中转录水平显著下调，可能受DMADP积累反馈调控。 |
关键发现
- RNAi系（R1、R22）的异戊二烯排放被抑制至几乎为零，即使在40°C高温下也无排放
- 野生型在热胁迫下异戊二烯排放峰值达10 nmol m^-2 s^-1。气候室条件下，WT在每次高温事件中净同化率下降约15%，而RNAi系R22下降约33%且不能完全恢复
- 田间试验中，对照C_F每次高温后净同化恢复至100%，而RNAi系R1_F最终仅恢复至90%。气候室异戊二烯抑制株系（O15c、R1c、R22c）在第三次热事件中净同化最大降低约45%，完成后仍低约20%。相对ETR在WT中随热事件增加20%，而抑制株系仅增加8%
- 田间RNAi系NPQ最终达3.88，相对增加160%，显著高于对照。DMADP含量在RNAi系中大幅积累：气候室从WT的21 pmol mg DW^-1升至约150 pmol mg DW^-1，田间从对照的36升至约700 pmol mg DW^-1。RNAi系中PcDXR转录水平下调，叶黄素脱环氧化比例增加，类胡萝卜素总量降低。
研究结论
转基因非异戊二烯排放杨树在短期热胁迫下表现出净同化速率下降、电子传递受损和非光化学淬灭（NPQ）增加，说明异戊二烯或其叶片内浓度对光合膜过程具有保护作用，从而维持净同化稳定。这一结果支持异戊二烯在热保护中的生态生理功能。