Cloning and Characterization of 1,8-Cineole Synthase (SgCINS) Gene From the Leaves of Salvia guaranitica Plant
- 作者
- Mohammed Ali, Dikhnah Alshehri, Abeer Mousa Alkhaibari, Naeema A. Elhalem, Doaa Bahaa Eldin Darwish
- 单位
- Egyptian Deserts Gene Bank, North Sinai Research Station, Department of Genetic Resources, Desert Research Center, Cairo, Egypt; Department of Biology, Faculty of Science, University of Tabuk, Tabuk, Saudi Arabia; Department of Botany, Faculty of Science, Mansoura University, Mansoura, Egypt
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2022）
- DOI
- 10.3389/fpls.2022.869432
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
从蓝花鼠尾草（Salvia guaranitica）叶片中克隆并功能表征 1,8-桉叶素合酶基因 SgCINS，并验证其在转基因烟草中对棉铃虫（斜纹夜蛾）抗性的作用。
研究策略
基于前期转录组数据筛选 SgCINS 基因，克隆全长 cDNA 并进行生物信息学分析（系统发育、保守结构域、亚细胞定位）；通过农杆菌介导法在烟草中过表达，利用昆虫取食实验评估抗虫性，并通过 GC-MS 分析萜类化合物组成变化。
核心内容
该研究从蓝花鼠尾草叶片中克隆并功能表征了1,8-桉叶素合酶基因SgCINS。其完整开放阅读框为2263 bp，编码731个氨基酸，预测蛋白分子量86.636 kDa，定位于质体或线粒体，系统发育分析显示其属于TPS-b亚家族。通过农杆菌介导法在烟草中过表达该基因，GC-MS分析发现转基因烟草中单萜、倍半萜、二萜等多种萜类化合物显著积累，其中倍半萜在昆虫取食后6小时含量最高达25.88%，而对照烟草中未检测到单萜和四萜。昆虫取食实验表明，棉铃虫在转基因烟草叶片上的相对生长率显著低于非转基因对照。这些结果说明SgCINS编码的酶能够促进多种萜类化合物合成，增强植物对棉铃虫的抗性，为利用萜类合酶基因改良植物抗虫性状、减少化学农药使用提供了新的策略。
创新点
首次从 Salvia guaranitica 中克隆并表征 1,8-cineole synthase 基因 SgCINS；证明了该基因在烟草中过表达可显著增加多种萜类（单萜、倍半萜、二萜等）的积累，并增强烟草对棉铃虫的抗性，为利用萜类合酶基因改良植物抗虫性提供了新策略。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum（转基因烟草） | 萜类生物合成通路 | SgCINS | 1,8-桉叶素合酶（1,8-cineole synthase） | 催化 | 来自 Salvia guaranitica 的 1,8-cineole synthase 基因，在烟草中过表达后增强萜类产量和抗虫性 |
关键发现
- SgCINS 基因完整 ORF 为 2263 bp，编码 731 个氨基酸，预测蛋白分子量
- 636 kDa，理论等电点
- 34，含 30 个氨基酸的 N 端转运肽，定位于质体/线粒体；系统发育分析显示其属于 TPS-b 亚家族。基因表达分析显示 SgCINS 在根中表达最高（1.13 倍），其次为幼叶（0.5 倍）、老叶（0.42 倍）、花蕾（0.41 倍）、花（0.22 倍）和茎（0.18 倍）。在转基因烟草中，单萜类化合物在取食后 3 h 含量最高（0.27%），倍半萜在 6 h 最高（25.88%），二萜在 6 h 最高（6.33%），三萜在 12 h 最高（0.68%），四萜仅在 3 h 检测到（0.7%），烷烃在 12 h 最高（0.1%），酯类在 0 h 最高（1.15%）；而非转基因烟草中未检测到单萜和四萜。GC-MS 共鉴定 283 种化合物，转基因烟草中独特化合物数量在不同时间点（0, 3, 6, 12, 24 h）分别为 23, 25, 17, 16, 19，明显多于对照（10, 20, 12, 10, 13）。昆虫取食实验中，棉铃虫在转基因烟草叶片上的相对生长率显著低于非转基因对照（p<0.05 或 p<0.01），表明 SgCINS 过表达增强了烟草对棉铃虫的抗性。
研究结论
SgCINS 基因编码 1,8-桉叶素合酶，在烟草中过表达可促进多种萜类化合物的积累，从而显著提高烟草对棉铃虫（斜纹夜蛾）的抗性。该研究为利用萜类合成相关基因改造植物抗虫性状、减少化学农药使用奠定了基础。