Transgenic Tobacco Overexpressing Tea cDNA Encoding Dihydroflavonol 4-Reductase and Anthocyanidin Reductase Induces Early Flowering and Provides Biotic Stress Tolerance
- 作者
- Vinay Kumar, Gireesh Nadda, Sanjay Kumar, Sudesh Kumar Yadav
- 单位
- Biotechnology Division, CSIR-Institute of Himalayan Bioresource Technology, Council of Scientific and Industrial Research, Palampur, Himachal Pradesh, India; HATS Division, CSIR-Institute of Himalayan Bioresource Technology, Council of Scientific and Industrial Research, Palampur, Himachal Pradesh, India
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0065535
- 所属领域
- 代谢工程
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
研究茶树黄酮醇合成关键酶DFR和ANR的过表达对植物发育及生物胁迫耐受性的影响，以期提高黄酮含量和抗氧化能力，并改善农艺性状。
研究策略
利用农杆菌介导法分别将茶树CsDFR和CsANR cDNA导入烟草，获得稳定过表达转基因株系，通过比较转基因与对照在黄酮含量、抗氧化活性、开花时间、激素水平及抗虫性等方面的差异，评估其功能。
核心内容
该研究通过农杆菌介导法将茶树来源的二氢黄酮醇4-还原酶基因CsDFR和花青素还原酶基因CsANR分别导入烟草，获得稳定过表达株系，系统评估了黄酮代谢重塑对植物发育及抗虫性的影响。结果显示，转基因株系开花时间较对照（105天）提前10至15天，总黄酮含量从39.8 mg QE/g DW提升至47.63至69.77 mg QE/g DW，其中表没食子儿茶素由0.22 mg/g DW大幅增至9.4至21.5 mg/g DW，DPPH自由基清除活性提高70%至185%，H2O2诱导的细胞死亡减少15%至43%。斜纹夜蛾幼虫生长抑制率在CsDFR系为10%至36%，CsANR系可达15%至70%。转基因植株内源GA3水平从138.80 ng/g FW降至49至110.3 ng/g FW，而IAA水平由780.2 ng/g FW升至810.5至1010.8 ng/g FW，同时内源NtCHS和NtANR2表达被上调。这些结果表明，茶树DFR和ANR的过表达通过促进flavan-3-ols积累增强了抗氧化能力，并通过激素调控诱导早花及种子增产，为黄酮代谢与植物发育及胁迫抗性之间的调控联系提供了新证据，也为利用黄酮代谢工程改良作物农艺性状和抗虫性提供了思路。
创新点
首次在烟草中单独过表达茶树CsDFR和CsANR，发现二者均能诱导早花、提高种子产量，并增强抗氧化和抗虫性；同时上调内源NtCHS和NtANR2表达，揭示了黄酮代谢与植物发育及胁迫抗性之间的新联系。
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 cv Xanthi nc） | 黄酮类生物合成途径（flavan-3-ols） | CsDFR | 二氢黄酮醇4-还原酶（DFR） | 催化 | 来自茶树（Camellia sinensis），催化二氢黄酮醇生成无色花青素，是flavan-3-ol合成的关键酶。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Xanthi nc） | 黄酮类生物合成途径（flavan-3-ols） | CsANR | 花青素还原酶（ANR） | 催化 | 来自茶树，催化花青素生成表儿茶素，属于DFR超家族。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Xanthi nc） | 黄酮类生物合成途径 | NtCHS | 查耳酮合酶（CHS） | 催化 | 烟草内源基因，在CsDFR和CsANR过表达株系中表达上调。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Xanthi nc） | 黄酮类生物合成途径 | NtANR2 | 花青素还原酶2（ANR2） | 催化 | 烟草内源基因，在CsDFR和CsANR过表达株系中表达上调。 |
关键发现
- CsDFR和CsANR过表达转基因烟草比对照提前约10-15天开花，各株系开花时间分别为：D-01 86天、D-15 95天、D-17 86天、A-05 90天、A-08 88天、A-27 85天，而对照为105天。总黄酮含量从对照的39.8 mg QE/g DW提高至47.63-69.77 mg QE/g DW
- 儿茶素从0.07 mg/g DW提高至0.38-0.5 mg/g DW
- 表儿茶素从0.167 mg/g DW提高至0.25-0.98 mg/g DW
- 表没食子儿茶素从0.22 mg/g DW大幅提高至9.4-21.5 mg/g DW。DPPH自由基清除活性提高70%–185%，H2O2诱导的细胞死亡减少15%–43%。饲喂试验中，斜纹夜蛾幼虫生长抑制率在CsDFR系为10%–36%，在CsANR系为15%–70%。内源GA3水平从对照的138.80 ng/g FW降至49–110.3 ng/g FW，而IAA水平从780.2 ng/g FW升至810.5–1010.8 ng/g FW。
研究结论
茶树CsDFR和CsANR在烟草中的过表达可诱导早花并提高种子产量，同时通过增加黄酮类物质（特别是flavan-3-ols）积累来增强抗氧化能力，最终赋予烟草对斜纹夜蛾的生物胁迫耐受性。