Natural products and plant disease resistance
- 作者
- Richard A. Dixon
- 单位
- Plant Biology Division, Samuel Roberts Noble Foundation, Ardmore, Oklahoma 73401, USA
- 杂志
- Nature（2001）
- DOI
- 10.1038/35081178
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明植物天然产物在防御微生物侵染中的作用，并探索通过代谢工程改造天然产物生物合成途径提高植物抗病性的策略。
研究策略
综述了植物天然产物的化学多样性、植保素和植保素前体的功能验证方法（包括基因敲除、突变体分析、转基因过表达等），以及利用基因组学、生物信息学和代谢工程手段解析和改造天然产物生物合成途径。
核心内容
植物可产生超过十万种低分子量天然产物，其中植保素及其前体在抵御微生物侵染中发挥关键作用。该综述系统梳理了通过基因敲除、突变体分析及转基因过表达等手段验证天然产物抗病功能的研究策略，并总结了利用基因组学与代谢工程改造其生物合成途径的探索。关键证据包括：在苜蓿中组成性表达葡萄白藜芦醇合酶基因可减轻真菌感染症状，而过表达异黄酮O-甲基转移酶则使苜蓿在感染后更快速积累medicarpin并缓解病害；拟南芥pad3突变体完全丧失camalexin产生，对特定病原菌敏感性增加，但对其他病原不敏感，表明不同天然产物间存在功能分工与协同。此外，仅通过6个点突变即可将苜蓿查尔酮合酶转化为芘合酶，显示了酶工程的巨大潜力。这些结果说明，通过引入新植保素或增强内源植保素合成来提高作物抗病性是可行的代谢工程策略，同时多组分协同参与抗病也为设计持久抗性提供了思路。
创新点
系统总结了利用基因组学、突变体分析和转基因技术解析天然产物抗病功能，提出T-DNA激活标签鉴定调控基因、结构导向的酶工程、以及引入多种新抗菌化合物以避免病原菌解毒等创新策略。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Medicago sativa | 异黄酮生物合成 | IOMT | 异黄酮O-甲基转移酶 | 催化 | 过表达IOMT使感染后更快速产生medicarpin，减轻症状 |
| Medicago sativa | 芪类生物合成 | STS | 白藜芦醇合酶 | 催化 | 组成性表达葡萄STS基因，积累白藜芦醇葡萄糖苷，增强对Phoma medicaginis的抗性 |
| Arabidopsis thaliana | 吲哚植保素（camalexin）生物合成 | PAD3 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | pad3突变体完全缺乏camalexin，对部分真菌病原敏感性增加 |
| Avena sativa | 皂苷生物合成 | Sad基因 | — | 催化 | 皂苷缺失突变体对Gaeumannomyces graminis var. tritici抗性降低，avenacin含量与抗性相关 |
| Zea mays | 苯并噁嗪类（DIMBOA）生物合成 | BX1-BX5 | BX1: 吲哚-3-甘油磷酸裂解酶；BX2-BX5: 细胞色素P450 | 催化 | bxi突变体丧失DIMBOA合成，对玉米大斑病和茎腐病高度敏感 |
| Arabidopsis thaliana | 苯丙烷/植保素调控 | PAD4 | PAD4调控因子 | 调控 | PAD4编码调控因子，参与植保素产生和抗病信号 |
关键发现
['植物产生超过100,000种低分子量天然产物', '通过6个点突变可将苜蓿查尔酮合酶转化为芘合酶', '在苜蓿中组成性表达葡萄白藜芦醇合酶基因可减轻Phoma medicaginis感染症状', '过表达异黄酮O-甲基转移酶（IOMT）使苜蓿感染后更快速积累medicarpin并减轻病害症状', '燕麦皂苷缺失突变体中avenacin含量与抗病性在分离后代中相关', '拟南芥pad3突变体完全丧失camalexin产生，但对Cochliobolus carbonum和Alternaria brassicola的敏感性增加，而对其他病原不敏感']
研究结论
天然产物在植物防御微生物侵染中具有重要作用，且多组分协同参与抗病；通过代谢工程改造天然产物途径（如引入新植保素或增强内源植保素生物合成）是提高植物抗病性的可行策略。