Attracting friends to feast on foes: engineering terpene emission to make crop plants more attractive to herbivore enemies
- 作者
- Jörg Degenhardt, Jonathan Gershenzon, Ian T Baldwin, André Kessler
- 单位
- Department of Biochemistry, Max Planck Institute for Chemical Ecology, Beutenberg Campus, Winzerlaer Strasse 10, D-07745 Jena, Germany; Department of Molecular Ecology, Max Planck Institute for Chemical Ecology, Beutenberg Campus, Winzerlaer Strasse 10, D-07745 Jena, Germany
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2003）
- DOI
- 10.1016/S0958-1669(03)00025-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用植物萜烯挥发物吸引害虫天敌，并通过代谢工程改造作物以增强这种间接防御能力，从而减少虫害
研究策略
综述间接防御机制，探讨通过代谢工程调控萜烯生物合成途径（如MEP和甲羟戊酸途径）及引入外源萜烯合酶基因，使作物在虫害时释放特定萜烯挥发物以吸引天敌
核心内容
该文综述了利用代谢工程改造作物萜烯挥发物释放以增强间接防御、吸引害虫天敌的策略。研究首先解析了植物在虫害诱导下通过MEP和甲羟戊酸途径合成并释放特定萜烯的机制，随后系统评估了在多个物种中调控关键酶或引入外源萜烯合酶基因的效果。具体而言，过表达异源HMGR使烟草总甾醇增加3-10倍但未影响倍半萜，在拟南芥中则无显著效果；过表达DXP还原异构酶使薄荷单萜产量增加约50%；在青蒿中过表达棉花FPP合酶使青蒿素含量提升2-3倍。此外，在番茄、香石竹和矮牵牛中表达芳樟醇合酶均成功产生了芳樟醇及其衍生物，但在矮牵牛中芳樟醇大量转化为非挥发性葡萄糖苷，提示不同植物对异源萜烯的代谢归宿存在差异。作者还指出间作Melinis minutiflora能显著减轻玉米虫害，佐证了挥发物介导的间接防御在实际应用中的潜力。该综述认为，通过代谢工程使作物在虫害时同步释放特定萜烯以吸引天敌是可行的，但需针对目标天敌优化挥发物组成，并协调直接与间接防御以避免冲突。
创新点
提出利用萜烯合酶基因工程改造作物释放特定萜烯挥发物以吸引天敌；强调释放时机与虫害同步的重要性；讨论避免吸引额外害虫及协调直接防御与间接防御的策略
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | 过表达异源HMGR使总甾醇增加3-10倍，但不影响倍半萜 |
| 拟南芥 (Arabidopsis) | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | 过表达内源HMGR对萜烯生物合成无影响 |
| 薄荷 (Mentha piperita) | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 过表达DXP还原异构酶使单萜增加约50% |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 萜烯生物合成途径 | FPS | farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 过表达棉FPP合酶使青蒿素增加2-3倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜合成 | LIS | linalool synthase | 催化 | 果实中表达芳樟醇合酶产生S-芳樟醇和8-羟基芳樟醇 |
| 香石竹 (Dianthus caryophyllus) | 单萜合成 | LIS | linalool synthase | 催化 | 组成型表达芳樟醇合酶释放芳樟醇及氧化衍生物 |
| 矮牵牛 (Petunia hybrida) | 单萜合成 | LIS | linalool synthase | 催化 | 芳樟醇几乎完全转化为非挥发性β-D-葡萄糖苷 |
| 玉米 (Zea mays) | 倍半萜合成 | TPS1 | terpene synthase 1 | 催化 | 催化形成(E)-法尼烯、(E)-橙花叔醇和(E,E)-法尼醇 |
关键发现
- 过表达异源HMGR使烟草总甾醇增加3-10倍，但不影响倍半萜
- 在拟南芥中过表达内源HMGR对萜烯生物合成无影响
- 在薄荷中过表达DXP还原异构酶使单萜增加约50%
- 在青蒿中过表达棉FPP合酶使青蒿素增加2-3倍
- 在番茄果实中表达芳樟醇合酶可产生S-芳樟醇和8-羟基芳樟醇
- 在矮牵牛中表达芳樟醇合酶导致芳樟醇几乎完全转化为非挥发性β-D-葡萄糖苷
- 在香石竹中表达芳樟醇合酶释放芳樟醇及其氧化衍生物
- 间作Melinis minutiflora可显著减少玉米害虫危害。
研究结论
通过代谢工程改造作物释放萜烯挥发物吸引天敌是可行的，但需要保持释放与虫害的时空同步，并根据目标天敌优化挥发物组成，同时避免吸引害虫和与直接防御冲突。