Arabidopsis, a Model to Study Biological Functions of Isoprene Emission?
- 作者
- Maaria Loivamäki, Frank Gilmer, Robert J. Fischbach, Christoph Sörgel, Anette Bachl, Achim Walter, Jörg-Peter Schnitzler
- 单位
- Research Centre Karlsruhe, Institute for Meteorology and Climate Research; Research Centre Jülich, Institute of Chemistry and Dynamics of the Geosphere (ICG-3): Phytosphere
- 杂志
- Plant Physiology（2007）
- DOI
- 10.1104/pp.107.098509
- 所属领域
- 代谢工程 / 植物生理学
- 关键词
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解决的核心问题
异戊二烯排放对植物的生物学功能尚不明确，特别是热耐受假说缺乏直接的分子遗传学证据，且天然非排放体拟南芥是否适合作为研究模型存在争议。
研究策略
将灰杨（Populus x canescens）的异戊二烯合酶基因PcISPS在组成型35S启动子控制下转化拟南芥，获得异戊二烯排放的转基因株系，利用GROWSCREEN生长分析、动态气体交换测量、DMADP水平测定和DOX饲喂等方法，比较转基因株系与野生型在正常和热胁迫下的表型差异。
核心内容
该研究通过将灰杨的异戊二烯合酶基因PcISPS转入天然非排放体拟南芥，构建了可稳定排放异戊二烯的转基因株系，以检验异戊二烯的热耐受功能假说。强排放株系的叶片和花排放率达4–6 nmol g FW⁻¹ h⁻¹，而野生型仅约0.05 nmol g FW⁻¹ h⁻¹；DOX饲喂可将DMADP水平和异戊二烯排放提高2倍，表明底物供应是排放的限制因素。在29°C热胁迫下，转基因株系3和8的生长速率比野生型快约30%，株系10快约60%，但动态气体交换显示，45°C瞬时热胁迫后最高排放株系9的净光合速率反而显著下降，类胡萝卜素与叶绿素含量也无差异。结果表明异戊二烯可增强中等热胁迫下的生长表现，但并不保护光合机构免受热损伤，野生型拟南芥自身已具备足够热耐受性。该体系为研究异戊二烯生物学功能提供了工具，但MEP途径的发育调控和底物限制需在应用中加以考虑。
创新点
首次在拟南芥中异源表达灰杨异戊二烯合酶并系统评估其生理功能；开发了适用于拟南芥莲座叶的动态气体交换和挥发性有机物测量系统；结合非侵入性叶面积生长分析（GROWSCREEN）与生化指标揭示异戊二烯排放与生长速率的关系。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸）途径 | PcISPS | PcISPS（异戊二烯合酶） | 催化 | 来自灰杨（Populus x canescens）的异戊二烯合酶基因，在35S启动子控制下组成型表达 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP途径 | NPTII | — | 调控 | 卡那霉素抗性选择标记基因 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP途径 | AtACT2 | 肌动蛋白2 | 调控 | 作为RT-PCR内参基因 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 调控 | 讨论中提及可能通过共表达增强异戊二烯排放，但未在本研究中直接操作 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 调控 | 讨论中提及与MEP途径通量调控相关 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | MEP途径 | HDR | 羟甲基丁烯基二磷酸还原酶 | 调控 | 讨论中提及为MEP途径的潜在调控点 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，生态型Columbia-0） | 萜类合成 | AtTPS基因家族 | 萜烯合酶 | 催化 | 野生型拟南芥中可能催化异戊二烯副产物生成，导致微量排放 |
关键发现
- 成功获得异戊二烯排放的转基因拟南芥，强排放株系（8和9）叶片和花的异戊二烯排放率为4-6 nmol g FW^-1 h^-1，株系10为1.5 nmol g FW^-1 h^-1，株系3为0.2 nmol g FW^-1 h^-1，株系5和野生型极低
- 野生型也有微量排放（约0.05 nmol g FW^-1 h^-1）。转基因株系叶片DMADP水平与野生型相近，约10 pmol mg^-1 FW
- 用30 nM DOX饲喂可使DMADP水平和异戊二烯排放提高2倍，表明异戊二烯排放受底物限制。PcISPS酶活性在2周龄植株中检测到，株系8为2.4 μkat kg蛋白^-1，株系9为1.2 μkat kg蛋白^-1，其他株系约为其一半。在29°C热胁迫下，株系3和8的生长速度比野生型快约30%，株系10快约60%
- 无热胁迫时差异较小。动态气体交换实验显示，在30°C至45°C升温过程中，转基因株系异戊二烯排放随温度升高呈指数增加（45°C时为初始值的2倍），但净光合速率下降，野生型与转基因株系对瞬时热胁迫的恢复能力无显著差异，最高排放株系9在热胁迫后净光合速率反而显著下降。类胡萝卜素和叶绿素含量在转基因与野生型间无显著差异。
研究结论
异戊二烯排放可增强拟南芥在中等热胁迫下的生长速率，但并不保护净光合作用免受热损伤；野生型拟南芥本身具有足够的热耐受性。转基因拟南芥是研究异戊二烯生物合成和功能的有力工具，但其应用受限于MEP途径的发育调控和底物供应，需要谨慎考虑相关因素。