The first crop plant genetically engineered to release an insect pheromone for defence
- 作者
- Toby J.A. Bruce, Gudbjorg I. Aradottir, Lesley E. Smart, Janet L. Martin, John C. Caulfield, Angela Doherty, Caroline A. Sparks, Christine M. Woodcock, Michael A. Birkett, Johnathan A. Napier, Huw D. Jones, John A. Pickett
- 单位
- Rothamsted Research; University of Bristol
- 杂志
- Scientific Reports（2015）
- DOI
- 10.1038/srep11183
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
昆虫信息素具有挥发性高、不稳定、化学合成成本高等问题，难以直接用于大田农业；如何在作物中稳定表达并释放昆虫信息素（蚜虫报警信息素）以实现害虫防控。
研究策略
通过农杆菌/基因枪法将薄荷来源的(E)-β-法尼烯合酶(EβfS)基因以及牛来源的法尼基二磷酸合酶(FPPS)基因转化六倍体小麦，并添加RuBisCo小亚基转运肽将酶靶向质体，以在植物体内合成并释放蚜虫报警信息素(E)-β-法尼烯(E3f)。
核心内容
该研究首次在六倍体小麦中通过稳定遗传工程实现了蚜虫报警信息素（E）-β-法尼烯的合成与释放。研究人员将薄荷来源的（E）-β-法尼烯合酶基因与牛来源的法尼基二磷酸合酶基因共转化小麦，并添加RuBisCo小亚基转运肽将酶靶向质体。结果表明，质体靶向对挥发性萜烯的产生至关重要，单基因表达时（E）-β-法尼烯最大释放量为3.8 μg/plant/h，而双基因共表达时可达30.7 μg/plant/h。室内行为学实验显示，三种谷类蚜虫在转基因株系挥发物区域停留时间显著减少，寄生蜂总觅食时间则显著延长。然而，田间试验中因蚜虫种群密度过低，转基因株系与对照未表现出显著防控差异，且连续饲养五代后蚜虫对报警信息素的行为反应明显减弱，提示习惯化风险。该研究证明了作物释放昆虫信息素的可行性，但实际应用仍需优化释放模式以接近自然报警信号的脉冲特征。
创新点
['首次在作物植物（六倍体小麦）中通过稳定遗传工程实现昆虫信息素（蚜虫报警信息素）的释放', '证明质体靶向对萜烯合酶产生挥发性萜烯的必要性', '采用双基因策略（EβfS + FPPS）提高E3f产量，并解析了单基因情况下产生月桂烯的机制']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Triticum aestivum cv. Cadenza (六倍体小麦) | 萜类/类异戊二烯生物合成途径 | EβfS（(E)-β-法尼烯合酶，来自薄荷Mentha piperita，合成序列并小麦密码子优化） | (E)-β-Farnesene synthase | 催化 | 催化法尼基二磷酸(FPP)生成(E)-β-法尼烯(E3f) |
| Triticum aestivum cv. Cadenza (六倍体小麦) | 萜类/类异戊二烯生物合成途径 | FPPS（法尼基二磷酸合酶，来自牛Bos taurus，合成序列） | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 催化IPP和DMAPP合成前体法尼基二磷酸(FPP) |
| Triticum aestivum cv. Cadenza (六倍体小麦) | 质体转运 | RuBisCo小亚基转运肽序列（147bp） | RuBisCo small subunit transit peptide | 区室化 | 用于将EβfS和FPPS靶向定位到质体 |
| Triticum aestivum cv. Cadenza (六倍体小麦) | 萜类/类异戊二烯生物合成途径 | 玉米Ubi1启动子 | — | 调控 | 驱动组成型高表达 |
| Triticum aestivum cv. Cadenza (六倍体小麦) | 萜类/类异戊二烯生物合成途径 | bar基因 | Phosphinothricin acetyltransferase | 调控 | 用于草铵膦抗性筛选 |
关键发现
- ['质体靶向的EβfS单独表达时，E3f最大释放量为3.8 μg/plant/h
- EβfS与FPPS共表达时最大释放量为30.7 μg/plant/h（71天苗龄）', '共81个质体靶向转化事件中，筛选出两个代表事件：B2812 R9P1（单基因，4拷贝）和B2803 R6P1（双基因，各1拷贝）', '行为学实验中，三种谷类蚜虫（Sitobion avenae, Rhopalosiphum padi, Metopolophium dirhodum）在含转基因株系挥发物的区域停留时间显著减少（P<0.05）', '寄生蜂Aphidius ervi在转基因小麦上总觅食时间显著延长（P=0.002）', 'GC-EAG显示E3f占电生理响应信号的82.89%±1.68，月桂烯占17.11%±1.68', '在田间试验中，蚜虫数量很低（2012年峰值0.76头/分蘖，2013年0.63头/分蘖），转基因株系与对照无显著差异，未观察到田间防控效果', '用转基因株系连续饲养5代的蚜虫对报警信息素的行为反应显著减弱（R. padi仍有反应，S. avenae无显著反应）']
研究结论
该研究首次在作物中实现了稳定表达并释放蚜虫报警信息素(E)-β-法尼烯，植物表型无异常且可育；室内实验证明对蚜虫有驱避作用并能增强天敌寄生蜂的觅食行为，但田间因蚜虫种群过低和气候异常未显示防控效果，且连续暴露可能导致蚜虫习惯化。研究提示需要进一步优化释放模式或更接近自然报警信息素的脉冲式释放。