Ectopic Terpene Synthase Expression Enhances Sesquiterpene Emission in Nicotiana attenuata without Altering Defense or Development of Transgenic Plants or Neighbors
- 作者
- Meredith C. Schuman, Evan C. Palmer-Young, Axel Schmidt, Jonathan Gershenzon, Ian T. Baldwin
- 单位
- Departments of Molecular Ecology and Biochemistry, Max Planck Institute for Chemical Ecology, 07745 Jena, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2014）
- DOI
- 10.1104/pp.114.247130
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
验证在生态模式植物Nicotiana attenuata中异源表达倍半萜合酶能否特异性增强目标倍半萜释放，而不引起防御反应或生长发育的代价，从而澄清(E)-α-bergamotene和(E)-β-farnesene的生理生态功能。
研究策略
在35S启动子控制下于N. attenuata中异源表达玉米ZmTPS10及其点突变体ZmTPS10M（分别产生(E)-α-bergamotene/(E)-β-farnesene或主要产生(E)-β-farnesene），系统比较转基因植株与野生型在挥发物释放、防御激素、防御代谢物、生长繁殖及竞争条件下对邻株的影响。
核心内容
研究在生态模式植物烟草中异源表达了玉米倍半萜合酶基因ZmTPS10及其点突变体ZmTPS10M，以分别增强(E)-α-bergamotene和(E)-β-farnesene的释放。转基因株系叶片顶空中(E)-β-farnesene含量为野生型的2至25倍，而野生型几乎检测不到；(E)-α-bergamotene在转基因组中达野生型的2倍以上，且伤口+口腔分泌物处理可进一步增强释放。点突变体TPS10M株系释放的(E)-β-farnesene比TPS10系高2倍以上，而(E)-α-bergamotene不足其一半，从而实现了两种倍半萜的功能区分。转基因与野生型在茉莉酸、水杨酸、脱落酸含量及防御代谢物（如尼古丁、绿原酸等）上无显著差异，生长繁殖指标除个别竞争处理下蒴果减少约25%外无一致变化。结果表明，异源表达可特异增强目标倍半萜释放而不引发防御或发育代价，该转基因株系适合野外生态实验，并提示这两种倍半萜在该植物体内或株间信号功能有限。
创新点
首次在生态学模式植物中实现特定倍半萜的组成型增强释放而不伴随生理代价；使用点突变体区分两种倍半萜的潜在功能；通过竞争实验评估生态成本。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana attenuata | 倍半萜生物合成（甲羟戊酸途径） | ZmTPS10 | TPS10 | 催化 | 玉米萜烯合酶，催化形成(E)-α-bergamotene和(E)-β-farnesene |
| Nicotiana attenuata | 倍半萜生物合成（甲羟戊酸途径） | ZmTPS10M | TPS10M | 催化 | ZmTPS10点突变体，主要产生(E)-β-farnesene |
| Nicotiana attenuata | 茉莉酸信号通路 | JAZ | JASMONATE ZIM DOMAIN | 调控 | 论文提及沉默JAZ负调控因子可增强(E)-β-farnesene释放，但本研究中未直接操作 |
| Nicotiana attenuata | 萜类前体合成 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 文献提及共表达FPS可增加底物供给以增强倍半萜释放，本研究未共表达 |
关键发现
- 转基因株系叶片顶空中(E)-β-farnesene含量为野生型的2～25倍，且野生型检测不到
- (E)-α-bergamotene在转基因组中为野生型的2倍以上
- W+OS处理显著增强两种倍半萜释放（P<0.05）。TPS10M株系M-1释放的(E)-β-farnesene比TPS10系高2倍以上，而(E)-α-bergamotene低于0.5倍。转基因株系中TPS10/TPS10M转录本丰度比野生型非特异信号高100倍以上。转基因植株与野生型在JA、JA-Ile、SA、ABA含量上无显著差异（P>0.18），防御代谢物（尼古丁、芦丁、绿原酸、咖啡酰腐胺、HGL-DTG）除个别点外无显著差异
- M-1株系未处理时芦丁降低<20%。在竞争条件下，10-4株系成熟蒴果比野生型少约25%，但其他生长与繁殖指标无一致差异。多次W+OS诱导后，野生型(E)-α-bergamotene释放量可达到与TPS10系相当，但(E)-β-farnesene仍检测不到。
研究结论
外源表达TPS10/TPS10M可在N. attenuata中特异增强(E)-α-bergamotene和/或(E)-β-farnesene释放，且不改变自身防御信号、防御化学、生长和繁殖，也不影响邻株防御。结果不支持这两种倍半萜在N. attenuata中的体内或株间信号功能；此类转基因株适合用于野外生态实验研究倍半萜的间接生态效应。