Isoprene synthesis protects transgenic tobacco plants from oxidative stress
- 作者
- Claudia E. Vickers, Malcolm Possell, Cristian I. Cojocariu, Violeta B. Velikova, Jullada Laothawornkitkul, Annette Ryan, Philip M. Mullineaux, C. Nicholas Hewitt
- 单位
- Department of Biological Sciences, Essex University; Lancaster Environment Centre, Lancaster University; Bulgarian Academy of Sciences
- 杂志
- Plant, Cell & Environment（2009）
- DOI
- 10.1111/j.1365-3040.2009.01946.x
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
异戊二烯在植物生理和生化中的作用，特别是其是否能够保护植物免受氧化胁迫（如臭氧熏蒸、高温/光胁迫）的损伤。
研究策略
将银白杨（Populus alba）的异戊二烯合酶基因在烟草（Nicotiana tabacum）中组成型表达，获得异戊二烯排放水平与天然排放物种相当的转基因烟草纯合系，并以不排放异戊二烯的分离隐性对照株系为对照，比较它们在高温/光胁迫和臭氧熏蒸下的生理生化响应。
核心内容
该研究将银白杨异戊二烯合酶基因转入烟草并组成型表达，获得异戊二烯排放速率达0.5–18 nmol m⁻² s⁻¹的纯合转基因株系，排放水平与天然高排放物种杨树相当，并以不排放异戊二烯的分离隐性株系为等基因对照。在45°C、1000 μmol m⁻² s⁻¹的重复热/光胁迫下，高排放株系净光合速率显著高于非排放株系；在120 ppb臭氧熏蒸6小时每天、持续2天后，非排放株系H₂O₂持续积累，5天后约为排放株系的400%，脂质过氧化水平在株系32中达排放株系的2.5倍，且非排放株系光合速率下降更明显、可见叶斑更多，而排放株系还原型抗坏血酸比例更高。结果表明内源异戊二烯通过调节氧化还原状态、抑制H₂O₂过度积累和脂质过氧化，减轻氧化损伤并维持光合能力，首次在转基因植物中证实异戊二烯对臭氧诱导氧化胁迫具有直接保护作用。
创新点
首次在烟草中实现与天然高排放物种相当的异戊二烯排放，并利用纯合的第四代（T3）转基因株系和等基因的隐性对照系统证明了内源异戊二烯对臭氧诱导氧化损伤具有显著保护作用，同时发现其通过抑制H2O2积累和降低脂质过氧化来减轻细胞死亡。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Samsun NN） | 质体2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸（MEP）途径 | 异戊二烯合酶基因（IspS，GenBank EF638224） | 异戊二烯合酶（isoprene synthase） | 催化 | 来自银白杨（Populus alba），受CaMV35S启动子驱动，催化二甲基烯丙基二磷酸（DMADP）转化为异戊二烯，定位在叶绿体 |
关键发现
- 转基因烟草异戊二烯排放速率范围为0.5-18 nmol m-2 s-1，与杨树（2-14 nmol m-2 s-1）相当
- 在重复热/光胁迫（45°C，1000 μmol m-2 s-1）下，高排放株系6和32的净光合速率（Pn）整体显著高于非排放株系（P≤0.05）
- 臭氧熏蒸（120 ppb，6 h/d，2 d）后，非排放株系H2O2持续积累，5 d后约为排放株系的400%，脂质过氧化水平在株系32中非排放株系是排放株系的2.5倍
- 排放株系净光合速率下降幅度显著小于非排放株系，且可见叶斑明显减少
- 还原型抗坏血酸比例在排放株系中更高。
研究结论
内源异戊二烯的合成能够保护转基因烟草免受热、光及臭氧诱导的氧化胁迫，其机制是通过调节植物氧化状态，抑制H2O2过度积累和脂质过氧化，从而防止氧化损伤和程序性细胞死亡，使植物在臭氧逆境下维持更高的光合能力和更低的叶片损伤。