Dammarenediol-II Production Confers TMV Tolerance in Transgenic Tobacco Expressing Panax ginseng Dammarenediol-II Synthase
- 作者
- Mi-Hyun Lee, Jung-Yeon Han, Hyun-Jung Kim, Yun-Soo Kim, Gyung Hye Huh, Yong-Eui Choi
- 单位
- Department of Forest Resources, College of Forest and Environmental Sciences, Kangwon National University, Chunchon 200-701, Republic of Korea; College of General Education, In Je University, Gimhae 621-749, Republic of Korea
- 杂志
- Plant & Cell Physiology（2012）
- DOI
- 10.1093/pcp/pcr160
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
达玛烯二醇-II能否在非天然产生该化合物的烟草中异源合成，并赋予植物对烟草花叶病毒（TMV）的抗性，以及达玛烯二醇-II在植物防御中的功能。
研究策略
在烟草中组成型表达人参达玛烯二醇-II合酶基因（PgDDS），通过GC-MS验证达玛烯二醇-II的产生；用TMV感染检测病斑大小、病毒滴度和TMV-CP表达；外源施加达玛烯二醇-II验证抗病毒效应；分析PgDDS启动子对TMV的响应。
核心内容
该研究将人参达玛烯二醇-II合酶基因（PgDDS）在烟草中组成型表达，以探究三萜类化合物达玛烯二醇-II能否在非天然产源植物中异源合成并赋予抗病毒能力。GC-MS检测证实转基因烟草T2、T5和T11株系叶片中成功积累达玛烯二醇-II，含量达20至30 μg/g干重，而野生型中无法检出。经烟草花叶病毒（TMV）感染后，转基因株系病斑显著小于野生型，其中T11株系症状最轻，病毒滴度较野生型降低2至3倍，TMV外壳蛋白mRNA水平下降2至4倍。外源施加20和200 μg/ml达玛烯二醇-II可使TMV-CP表达降低约50%，直接验证了该化合物的抗病毒活性。转基因植株中病程相关基因PR1和PR2表达上调，且PgDDS启动子受TMV诱导，GUS活性增强4倍以上，表明该启动子含有病原响应顺式元件。研究首次证明达玛烯二醇-II可在烟草中异源合成，并通过激活防御基因和抑制病毒复制赋予TMV耐受性，为利用三萜类化合物基因工程改良作物病毒抗性提供了新思路。
创新点
['首次证明达玛烯二醇-II可在非产源植物烟草中异源生产', '发现达玛烯二醇-II赋予转基因烟草TMV耐受性并抑制病毒复制', '证明达玛烯二醇-II激活烟草PR1和PR2基因表达', '发现PgDDS启动子受TMV诱导，含病原相关顺式元件']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum cv. Xanthi nc（转基因烟草） | 达玛烯二醇-II生物合成通路（三萜皂苷生物合成） | PgDDS | 达玛烯二醇-II合酶（DDS） | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化生成达玛烯二醇-II |
| Panax ginseng（人参） | 人参皂苷生物合成通路 | PgDDS | 达玛烯二醇-II合酶（DDS） | 催化 | TMV感染使人参叶片中PgDDS转录显著增强；PgDDS启动子区域含W box、GT-1和SEBF等病原相关顺式元件 |
| Nicotiana tabacum | 植物防御信号通路 | NtPR1, NtPR2 | 病程相关蛋白PR1和PR2 | 调控 | 在达玛烯二醇-II产生的转基因烟草中表达上调，受TMV诱导进一步增强 |
| Panax ginseng | 防御信号通路 | PgDDS启动子（AB638615） | — | 调控 | 通过GUS报告基因验证，TMV处理后驱动GUS活性增强>4倍，表明启动子响应病毒胁迫 |
关键发现
- 转基因烟草（T2、T5、T11）叶片中达玛烯二醇-II含量为20-30 μg/g DW，野生型中检测不到
- TMV感染后72 h，野生型病斑平均直径为3.19±0.27 mm，转基因系T5为2.61±0.19 mm，T11为1.40±1.81 mm（原文如此），病斑更小且出现更快
- 转基因系病毒滴度较野生型降低2-3倍，TMV-CP mRNA水平低2-4倍
- 外源施加20和200 μg/ml达玛烯二醇-II使TMV-CP表达降低约50%
- PgDDS启动子驱动的GUS活性在TMV处理后增强超过4倍。
研究结论
达玛烯二醇-II可在烟草中异源生产，通过激活病程相关基因表达和抑制病毒复制赋予TMV耐受性；PgDDS基因可作为增强植物病毒防御的候选基因。