Overexpression of an Isoprenyl Diphosphate Synthase in Spruce Leads to Unexpected Terpene Diversion Products That Function in Plant Defense
- 作者
- Raimund Nagel, Aileen Berasategui, Christian Paetz, Jonathan Gershenzon, Axel Schmidt
- 单位
- Max Planck Institute for Chemical Ecology, Beutenberg Campus, Jena, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2014）
- DOI
- 10.1104/pp.113.228940
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析异戊烯基二磷酸合酶（IDS）在云杉萜类生物合成通量调控中的作用，并利用转基因手段改变萜类表型以评估萜烯类化合物在植物防御中的功能。
研究策略
在白云杉（Picea glauca）中过量表达来自挪威云杉（Picea abies）的双功能IDS1（GDP/GGDP合酶），通过分析转基因株系的转录水平、酶活性、体内中间产物（GDP、FDP、GGDP）、主要萜类代谢物，并用昆虫喂食实验评估积累产物的防御功能。
核心内容
研究人员在白云杉和挪威云杉中过量表达来自挪威云杉的双功能异戊烯基二磷酸合酶基因PaIDS1，以解析该酶在萜类通量调控中的作用。转基因针叶中IDS1转录水平较对照提高300至700倍，GDP合酶活性提高7至17倍，而FDP合酶活性下降10至23倍。体内GDP含量从0.07增至0.56 nmol g⁻¹鲜重，GGDP从1.23增至5.45 nmol g⁻¹鲜重，FDP无变化。然而，单萜和二萜树脂酸含量并无显著变化，通量意外转向牻牛儿基牻牛儿醇脂肪酸酯的大量积累，主茎第三年针叶中达12.21 mg g⁻¹鲜重。昆虫喂食实验显示，取食转基因叶片的松夜蛾幼虫存活率和体重显著降低，且用合成的牻牛儿基牻牛儿醇硬脂酸酯处理叶片同样降低幼虫存活率，证明该酯类具抗虫防御功能。该研究首次同时定量植物体内三种异戊烯基二磷酸中间体，揭示IDS位于萜类合成关键分支点，其过表达引发的分流产物可作为植物保护的新策略。
创新点
首次同时定量植物体内GDP、FDP和GGDP中间体；发现IDS过表达导致萜类通量意外转向牻牛儿基牻牛儿醇脂肪酸酯大量积累；证明该类酯类化合物对食叶害虫具有防御功能。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Picea glauca (白云杉) 转基因株系 | 质体萜类生物合成（MEP途径） | PaIDS1 | 双功能香叶基/香叶基香叶基二磷酸合酶 (IDS1) | 催化 | 来自挪威云杉的IDS1在白云杉中过表达，催化DMADP与IDP缩合生成GDP和GGDP。 |
| Picea abies (挪威云杉) 转基因株系 | 质体萜类生物合成（MEP途径） | PaIDS1 | 双功能香叶基/香叶基香叶基二磷酸合酶 (IDS1) | 催化 | 用于验证牻牛儿基牻牛儿醇脂肪酸酯积累现象的普遍性。 |
关键发现
- 在针叶中IDS1转录水平较空载体对照提高300~700倍
- GDP合酶活性提高7倍（二年生针叶从8增至57 pmol h⁻¹ μg⁻¹总蛋白）和17倍（三年生针叶从5增至84 pmol h⁻¹ μg⁻¹），FDP合酶活性下降10~23倍
- 体内GDP从0.07增至0.56 nmol g⁻¹鲜重（8倍），GGDP从1.23增至5.45 nmol g⁻¹鲜重（4.5倍），FDP无变化（0.07 nmol g⁻¹鲜重）
- 单萜含量（0.8~1.3 μg mg⁻¹鲜重）和二萜树脂酸含量（1.9~2.7 μg mg⁻¹鲜重）无显著变化
- 牻牛儿基牻牛儿醇脂肪酸酯大量积累，主茎第三年针叶达12.21 mg g⁻¹鲜重，第二年针叶7.76 mg g⁻¹鲜重，侧枝8.35 mg g⁻¹鲜重，挪威云杉过表达株针叶达6.19 mg g⁻¹鲜重
- 取食过表达株叶片的松夜蛾（Lymantria monacha）幼虫存活率和体重显著降低（P<0.005，P<0.02），用合成的牻牛儿基牻牛儿醇硬脂酸酯处理叶片同样显著降低幼虫存活率（P<0.001）
- 初级萜类（甾醇、类胡萝卜素、叶绿素）含量无变化。
研究结论
过表达IDS1显著提高针叶中GDP和GGDP前体供应，但并未增加典型树脂单萜和二萜酸含量，而是导致通量意外流向牻牛儿基牻牛儿醇脂肪酸酯的积累，且这些酯类具有抗虫防御功能。这表明IDS位于萜类生物合成的关键分支点，其过表达引发的分流产物可成为植物保护的新策略。