高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhanced Methanol Production in Plants Provides Broad Spectrum Insect Resistance

作者
Sameer Dixit, Santosh Kumar Upadhyay, Harpal Singh, Om Prakash Sidhu, Praveen Chandra Verma, Chandrashekar K
单位
CSIR- National Botanical Research Institute, Council of Scientific and Industrial Research, Lucknow, Uttar Pradesh, India; Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR), Anusandhan Bhawan, 2- Rafi Marg, New Delhi, India; Department of Biotechnology, National Agri- Food Biotechnology Institute, Ministry of Science and Technology, Mohali, Punjab, India; Indian Agricultural Research Institute, Shivaji Nagar, Pune, Maharashtra, India
杂志
PLoS ONE（2013）
DOI
10.1371/journal.pone.0079664
所属领域
代谢工程
关键词
Bemisia tabaciHelicoverpa armigeraMyzus persicaeSpodoptera liturabroad spectrum insect resistancemethanolpectin methylesterasetransgenic tobacco
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解决的核心问题

植物自然产生的甲醇量不足以防御入侵的昆虫害虫，需要增强植物甲醇产生以实现广谱抗虫性。

研究策略

在转基因烟草中过表达来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）和黑曲霉（Aspergillus niger）的果胶甲酯酶（PME）基因，促进细胞壁果胶去甲基化，提高甲醇含量和排放速率，从而赋予植物对咀嚼式和刺吸式害虫的广谱抗性。

研究路线图

100%
核心问题：植物自然甲醇产量不足以防御害虫
策略：过表达PME基因（来自拟南芥和黑曲霉）
关键改造：细胞壁果胶去甲基化
关键结果：甲醇含量提升16倍（最高432 μg/g）
结果：排放速率提升11-13倍
结果：广谱抗虫性（棉铃虫100%致死等）
结果：无表型异常（与野生型相似）
结论：PME增强甲醇产生是广谱抗虫新策略
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核心内容

该研究在转基因烟草中异源表达了来自拟南芥和黑曲霉的果胶甲酯酶（PME）基因，通过促进细胞壁果胶去甲基化来增强植物内源甲醇的生成与释放，以此实现广谱抗虫。结果显示，转基因烟草叶片甲醇含量最高可达约432 μg/g，较野生型的约27.8 μg/g提升约16倍；两个转基因株系的甲醇排放速率分别比对照高11.17和12.61倍。在昆虫生测中，对棉铃虫幼虫的最高死亡率达到100%，对斜纹夜蛾最高为85%，对蚜虫和烟粉虱的种群增长抑制最高分别达99%和75%，存活幼虫体重减轻31%至85%。值得注意的是，转基因植株在株高、叶片数、气孔密度与周长、花粉萌发率等方面均与野生型无显著差异，且细胞壁相关酶基因表达上调25至37倍，表明增强甲醇产生并未干扰植物正常生长发育。该策略可作为现有Bt抗虫技术的有效补充，为作物遗传改良提供了一种基于代谢工程的新途径。

创新点

首次证明甲醇排放可被利用来赋予植物广谱昆虫抗性；通过异源表达PME显著提高甲醇产量，且不引起植物表型、细胞结构、气孔和毛状体形态、花粉萌发等方面的明显异常。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
烟草 (Nicotiana tabacum) — — — — 转基因研究的底盘植物，用于评估甲醇产生及抗虫效果
烟草 (Nicotiana tabacum) 转基因植株 细胞壁果胶去甲基化/甲醇代谢 AtPME (atpme, NP_566842) 果胶甲酯酶 (PME) 催化 来源于拟南芥，过表达后提高PME活性和甲醇含量
烟草 (Nicotiana tabacum) 转基因植株 细胞壁果胶去甲基化/甲醇代谢 AnPME (anpme, XM_001390469) 果胶甲酯酶 (PME) 催化 来源于黑曲霉，过表达后提高PME活性和甲醇含量
烟草 (Nicotiana tabacum) 转基因植株 细胞壁代谢 Cel2, Cel4, Cel5, Cel7, Cel8, celsyn, Xytr, NTExp1 内切-1,4-β-葡聚糖酶、纤维素合酶、内切-木葡聚糖转移酶、扩张蛋白 催化 检测这些细胞壁酶基因的转录水平变化，以评估PME过表达对细胞壁代谢的影响

关键发现

  1. 转基因烟草叶片甲醇含量最高约432 μg/g，相比野生型约27.8 μg/g提高达16倍
  2. AnPME和AtPME转基因株系甲醇排放速率分别为4.36±0.21和4.92±0.21 μmol min−1 cm−2，比对照（0.39±0.01）高11.17和12.61倍
  3. PME活性分别提高42%和39%。对棉铃虫（Helicoverpa armigera）幼虫最高死亡率达100%，对斜纹夜蛾（Spodoptera litura）最高死亡率达85%
  4. 对蚜虫（Myzus persicae）种群增长抑制最高达99%，对烟粉虱（Bemisia tabaci）种群增长抑制最高达75%。存活幼虫出现严重生长抑制，体重减轻31%-85%。转基因植株在株高、叶片数、气孔密度（95±12 vs 103±9 per mm²）、气孔周长（113.48±6.7 vs 114.96±4.6 μm）等方面与野生型相似，花粉萌发率均超过95%。细胞壁酶基因Cel5、Celsyn、NTExp1表达上调25-37倍。

研究结论

过表达PME增强甲醇产生可作为一种有效的广谱昆虫抗性策略，不影响植物正常生长和发育，具有用于作物遗传改良的潜力，可作为Bt技术的补充。