(E)-β-Farnesene synthase genes affect aphid (Myzus persicae) infestation in tobacco (Nicotiana tabacum)
- 作者
- Xiudao Yu, Huw D. Jones, Youzhi Ma, Genping Wang, Zhaoshi Xu, Baoming Zhang, Yongjun Zhang, Guangwei Ren, John A. Pickett, Lanqin Xia
- 单位
- Institute of Crop Science/The National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS), 12 Zhongguancun South Street, Beijing 100081, China; Rothamsted Research, Harpenden, Hertfordshire AL5 2JQ, UK; Institute of Crop Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS), Beijing 100193, China; Institute of Tobacco Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS), Qingdao, Shandong 266101, China
- 杂志
- Functional & Integrative Genomics（2011）
- DOI
- 10.1007/s10142-011-0244-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
蚜虫是重要农业害虫，化学杀虫剂存在抗性和环境问题，需要开发安全有效的抗蚜策略。本研究旨在利用蚜虫报警信息素(E)-β-法尼烯（EβF）合成酶基因，通过植物代谢工程使作物释放EβF，从而驱避蚜虫并吸引天敌，实现环境友好的蚜虫防治。
研究策略
从青蒿中克隆两个EβF合酶基因（AaβFS1和AaβFS2），通过农杆菌介导法转化烟草（W38），组成型表达，利用GC-MS测定EβF释放量，并通过八边形装置进行蚜虫和草蛉的行为生物测定。
研究路线图
核心内容
该研究从青蒿中克隆了两个(E)-β-法尼烯（EβF）合酶基因AaβFS1和AaβFS2，利用农杆菌介导法将其转化至烟草W38中组成型表达。GC-MS检测结果显示，转基因烟草的EβF释放量为1.55–4.65 ng/day/g鲜重，表明两个基因均能有效合成并释放蚜虫报警信息素。通过八边形装置进行的行为生物测定发现，在仅存在蚜虫的实验中，最高释放系S1-4-5上的蚜虫数比对照减少约10%，且22%的蚜虫不做选择；在蚜虫与草蛉幼虫共同存在的实验中，各转基因系的蚜虫数量分别减少16.4%、23.6%（P<0.05）、10.9%和20.0%，同时转基因植株对草蛉幼虫表现出显著吸引作用，表明EβF释放不仅能驱避蚜虫，还能吸引其天敌草蛉。这一结果首次证明在烟草中表达青蒿EβF合酶基因可获得双重抗蚜效果，为重要作物中利用该基因进行环境友好型蚜虫防治提供了有效依据。然而，当前EβF释放量相对较低，法尼基焦磷酸（FPP）前体供应可能是倍半萜合成的限制因素，未来可通过共表达HMGR或FPP合酶等策略增强前体供给，进一步提高抗蚜效果。
创新点
首次在烟草中表达青蒿EβF合酶基因；证明转基因烟草既能驱避蚜虫又能吸引草蛉幼虫，具有双重抗蚜效果；为EβF合酶基因在重要作物中的应用提供了依据。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum cv. W38) | 倍半萜生物合成途径 | AaβFS1 (GenBank: GU294840) | (E)-β-法尼烯合酶 (EβF synthase) | 催化 | 来自青蒿 (Artemisia annua)，催化法尼基焦磷酸 (FPP) 生成 (E)-β-法尼烯 (EβF)。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum cv. W38) | 倍半萜生物合成途径 | AaβFS2 (GenBank: GU294841) | (E)-β-法尼烯合酶 (EβF synthase) | 催化 | 来自青蒿，与AaβFS1高度同源（99.5%氨基酸一致性），同样催化FPP生成EβF。 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 倍半萜生物合成途径 | AaβFS1 / AaβFS2 | (E)-β-法尼烯合酶 | 催化 | 基因来源植物，用于克隆EβF合成酶基因。 |
关键发现
- 从青蒿中分离到两个EβF合酶基因AaβFS1（GU294840）和AaβFS2（GU294841），分别编码574和575个氨基酸的蛋白，两者与已报道的AY835398有99.5%氨基酸一致性。转基因烟草的EβF释放量为1.55-4.65 ng/day/g鲜重。在单独蚜虫试验中，最高释放系S1-4-5上蚜虫数比对照减少约10%，22%的蚜虫不做选择。在蚜虫与草蛉幼虫共同试验中，各转基因系蚜虫数量分别减少16.4%（S1-3-4）、23.6%（S1-4-5, P<0.05）、10.9%（S2-1-2）和20.0%（S2-3-6），28.3%的蚜虫停在网盖上
- 转基因植株对草蛉幼虫有显著吸引（如S1-3-4和S1-4-5在30分钟时吸引显著，S1-4-5在45分钟时显著）。Southern blot显示单拷贝/双拷贝插入，SDS-PAGE和Western blot检测到约67 kDa目标蛋白。
研究结论
研究表明，在烟草中组成型表达青蒿EβF合酶基因可释放EβF，驱避蚜虫并吸引草蛉幼虫，从而减少蚜虫侵害，是一种潜在的环境友好型蚜虫防治策略。但EβF释放量相对较低，FPP前体供应可能是限制倍半萜合成的主要因素，未来可通过增强前体供给（如共表达HMGR或FPP合酶）或区室化策略提高产量。