Overexpression of Tomato Prosystemin (LePS) Enhances Pest Resistance and the Production of Tanshinones in Salvia miltiorrhiza Bunge
- 作者
- Chen Chen, Yuan Zhang, Kuliman Qiaofu, Xuan Zhang, Li-Min Han, Wen-Ping Hua, Ya-Ping Yan, Zhe-Zhi Wang
- 单位
- National Engineering Laboratory for Resource Development of Endangered Crude Drugs in Northwest China, Key Laboratory of the Ministry of Education for Medicinal Resources and Natural Pharmaceutical Chemistry, College of Life Sciences, Shaanxi Normal University; College of Life Science and Food Engineering, Shaanxi Xueqian Normal University
- 杂志
- Journal of Agricultural and Food Chemistry（2016）
- DOI
- 10.1021/acs.jafc.6b02844
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
丹参中丹参酮含量低且易受虫害，外源茉莉酸处理成本高、操作困难，缺乏绿色高效的遗传改良策略。
研究策略
通过农杆菌介导将番茄Prosystemin (LePS) 基因转入丹参，利用其模拟创伤信号激活内源JA合成，从而同时提高丹参酮产量和抗虫性。
核心内容
本研究通过农杆菌介导的方法将番茄Prosystemin（LePS）基因转入丹参，利用异源表达的Prosystemin模拟创伤信号，激活内源茉莉酸（JA）合成途径，从而同时实现丹参酮含量提升和抗虫性增强。与野生型相比，转基因株系OEP5和OEP10中JA含量分别达到75.26和72.36 ng/g，显著高于野生型的56.78 ng/g。丹参酮I、丹参酮IIA和隐丹参酮在OEP5干根中分别达0.43、1.71和0.53 mg/g，较野生型提高2.17–2.39倍、2.69–2.89倍和2.04–2.21倍。基因表达分析显示，JA合成相关基因LOX、AOS、AOC、OPR3以及丹参酮合成基因DXS1、DXR、HMGR1、CPS1等均上调2–4倍，GGPPS1和2ODD8约上调10倍。抗虫实验表明，棉铃虫幼虫取食转基因叶片后死亡率提高3.67–4.00倍，叶片损伤评分从野生型的3.80分别降至OEP5的1.80和OEP10的1.20，同时防御相关代谢物如亚油酸和谷甾醇分别升高12.96倍和7.72倍。该策略通过模拟创伤信号替代外源JA处理，为药用植物有效成分积累与抗虫性状的协同改良提供了可行途径。
创新点
首次在丹参中利用异源Prosystemin过表达模拟创伤信号；避免了外源JA的使用；实现了有效成分积累和抗虫性的协同提升。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | JA信号转导通路 | LePS | Prosystemin前体蛋白 | 调控 | 来自番茄，过表达后经切割产生systemin信号肽，模拟创伤信号激活JA合成 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | JA生物合成（十八碳烷酸途径） | LOX | 脂氧合酶 (LOX) | 催化 | 催化亚麻酸氧化，JA生物合成关键酶 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | JA生物合成（十八碳烷酸途径） | AOS | 丙二烯氧化物合酶 (AOS) | 催化 | 催化丙二烯氧化物形成 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | JA生物合成（十八碳烷酸途径） | AOC | 丙二烯氧化物环化酶 (AOC) | 催化 | 催化12-氧-植物二烯酸形成 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | JA生物合成（十八碳烷酸途径） | OPR3 | 12-氧-植物二烯酸还原酶3 (OPR3) | 催化 | 催化OPDA还原，JA生物合成后期关键酶 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成（MEP途径） | DXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 (DXS) | 催化 | MEP途径限速酶 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成（MEP途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 (DXR) | 催化 | MEP途径关键酶 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成（MVA途径） | HMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 (HMGR) | 催化 | MVA途径限速酶 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 (FPPS) | 催化 | 催化IPP/DMAPP生成FPP |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | GGPPS1 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 (GGPPS) | 催化 | 催化GGPP合成，二萜前体 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | CPS1 | 柯巴基焦磷酸合酶 (CPS) | 催化 | 催化GGPP环化形成柯巴基焦磷酸 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | KSL1 | 贝壳杉烯合酶类似环化酶 (KSL) | 催化 | 催化二萜骨架形成 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | CYP76AH1 | 细胞色素P450酶 CYP76AH1 | 催化 | 参与丹参酮下游氧化修饰 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | CYP71D441 | 细胞色素P450酶 CYP71D441 | 催化 | 参与丹参酮下游氧化修饰 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | SDR1 | 短链醇脱氢酶 (SDR) | 催化 | 可能参与丹参酮还原反应 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge（丹参） | 丹参酮生物合成 | 2ODD8 | 2-酮戊二酸依赖性双加氧酶 (2ODD) | 催化 | 可能参与丹参酮羟基化修饰 |
关键发现
- JA浓度在OEP5和OEP10中分别为75.26 ng/g和72.36 ng/g，显著高于野生型的56.78 ng/g
- 丹参酮I、丹参酮IIA和隐丹参酮在OEP5干根中的含量分别为0.43、1.71和0.53 mg/g，OEP10中为0.39、1.59和0.49 mg/g，野生型为0.18、0.59和0.24 mg/g，分别提高2.17-2.39倍、2.69-2.89倍和2.04-2.21倍
- JA合成相关基因LOX、AOS、AOC、OPR3表达上调超过2倍，丹参酮合成基因DXS1、DXR、HMGR1、CPS1、KSL1、CYP76AH1、CYP71D441、SDR1上调2-4倍，GGPPS1和2ODD8约上调10倍
- 棉铃虫幼虫取食转基因叶片后死亡率提高3.67-4.00倍，叶片损伤评分从野生型的3.80降至OEP5的1.80和OEP10的1.20
- 防御相关代谢物如亚油酸（12.96倍）和谷甾醇（7.72倍）等显著升高。
研究结论
通过异源表达番茄Prosystemin (LePS) 模拟创伤信号，可显著提高丹参内源JA水平，进而上调丹参酮生物合成途径基因表达，促进丹参酮积累，并增强对棉铃虫的抗性。该策略为丹参等药用植物的品质改良和抗虫育种提供了新途径。