Introgression of the sesquiterpene biosynthesis from Solanum habrochaites to cultivated tomato offers insights into trichome morphology and arthropod resistance
- 作者
- Rodrigo Therezan, Ruy Kortbeek, Eloisa Vendemiati, Saioa Legarrea, Severino M. de Alencar, Robert C. Schuurink, Petra Bleeker, Lázaro E. P. Peres
- 单位
- Department of Biological Sciences, "Luiz de Queiroz" College of Agriculture, Laboratory of Plant Developmental Genetics, University of Sao Paulo, Piracicaba, SP 13418-900, Brazil; Department of Plant Physiology, Green Life Science Research Cluster, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, The Netherlands; Molecular and Chemical Ecology, Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics, University of Amsterdam, PO Box 94240, 1090 GE Amsterdam, The Netherlands; Department of Agri-Food Industry, Food and Nutrition, "Luiz de Queiroz" College of Agriculture, University of Sao Paulo, Piracicaba, SP 13418-900, Brazil
- 杂志
- Planta（2021）
- DOI
- 10.1007/s00425-021-03651-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何将野生番茄 Solanum habrochaites 的质体来源倍半萜生物合成途径（SsT2基因簇）导入栽培番茄，并探究其对腺毛形态和刺吸式害虫抗性的影响。
研究策略
利用 lutescent 1 形态标记辅助回交渗入策略，将 S. habrochaites LA1777 的 SsT2 基因簇导入 Micro-Tom 背景，获得近等基因系 MT-SsT2，通过 GC-MS 分析代谢物、qRT-PCR 分析基因表达、显微镜观察腺毛形态，并对白蝇、蜘蛛螨、蓟马进行无选择生物测定。
研究路线图
核心内容
本研究利用lutescent 1形态标记辅助回交策略，将野生番茄Solanum habrochaites LA1777的质体来源倍半萜合成基因簇（zFPS和SBS）导入栽培番茄Micro-Tom，构建了近等基因系MT-SsT2。GC-MS分析显示，MT-SsT2的Type-VI腺毛中α-santalene、α-bergamotene和β-bergamotene等质体来源倍半萜显著积累，含量甚至超过野生亲本LA1777。显微观察发现，倍半萜积累增加使Type-VI腺毛内部储存腔体积较Micro-Tom增大，但腺体外部形态和花梗长度仍与LA1777有差距。针对白蝇、两种蜘蛛螨和蓟马的无选择生物测定表明，MT-SsT2上的害虫存活率与受体Micro-Tom无显著差异（白蝇约80%，蜘蛛螨100%），而LA1777上则显著降低（白蝇低于40%，蜘蛛螨约20%至40%），蓟马存活和幼虫孵化也未获得改善。该工作证明野生番茄质体倍半萜途径可成功转移到栽培番茄并影响腺毛内部形态，但仅靠该途径不足以赋予刺吸式害虫抗性，抗性还需倍半萜羧酸衍生物生成酶、调控zFPS/SBS的转录因子及细胞壁重塑相关基因等额外遗传组分的协同作用，为后续番茄抗虫代谢工程指明了关键缺失环节。
创新点
['成功将野生番茄质体来源倍半萜合成基因簇（zFPS和SBS）导入栽培番茄 Micro-Tom 并实现高水平表达', '发现质体来源倍半萜积累增加导致 Type-VI 腺毛内部储存腔增大，但不足以改变外部腺体形状', '证明仅导入该代谢途径不足以赋予对刺吸式害虫的抗性，揭示了需要其他遗传组分']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) 近等基因系 MT-SsT2 | 质体来源倍半萜生物合成 | zFPS | cis-Farnesyl Diphosphate Synthase (Z-prenyltransferase) | 催化 | 来自 S. habrochaites LA1777，催化 IPP 和 DMAPP 合成 Z,Z-FPP |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) 近等基因系 MT-SsT2 | 质体来源倍半萜生物合成 | SBS (ShTPS45) | Santalene and Bergamotene Synthase | 催化 | 催化 Z,Z-FPP 生成 α-santalene、α-bergamotene、β-bergamotene 等倍半萜 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 质体来源单萜生物合成 | SINDPS1 | Neryl Diphosphate Synthase 1 | 催化 | 在栽培番茄中催化 IPP 和 DMAPP 生成 NPP，被 SsT2 渗入替换后该基因缺失 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 质体来源单萜生物合成 | SITPS20 | Terpene Synthase 20 | 催化 | 催化 NPP 生成 β-phellandrene 等单萜，SsT2 渗入后被 S. habrochaites 的 TPS 取代 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 胞质来源倍半萜生物合成 | SITPS12 | Terpene Synthase 12 | 催化 | 位于 SsT1 位点，负责 β-caryophyllene 和 α-humulene 的合成 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) 近等基因系 MT-SsT2 | 调控途径 | ShMYC1 | bHLH 转录因子 (MYC1) | 调控 | 位于染色体8顶端，可能影响花梗长度，但本文未进行功能验证 |
关键发现
- ['MT-SsT2 的 Type-VI 腺毛中质体来源倍半萜（α-santalene、α-bergamotene、β-bergamotene 等）含量显著积累，且高于野生亲本 LA1777', '白蝇存活率在 MT-SsT2 上约为 80%，在 LA1777 上低于 40%
- MT 与 MT-SsT2 无显著差异', '两种蜘蛛螨（Tetranychus evansi 和 T. urticae）在 MT 和 MT-SsT2 上存活率为 100%，而在 LA1777 上分别约为 20% 和 40% 存活', '蓟马（Frankliniella occidentalis）存活和幼虫孵化在 MT 和 MT-SsT2 间无显著差异，LA1777 显著降低', 'MT-SsT2 的 Type-VI 腺毛内部腔体积较 MT 增大，但腺体大小和花梗长度仍小于 LA1777', 'MT-SsT2 叶片上非腺毛 Type-V 密度在 adaxial 表面约为 MT 的两倍']
研究结论
野生番茄的质体来源倍半萜合成途径可以转移到栽培番茄的 Type-VI 腺毛中，并影响腺毛内部形态，但不足以赋予对刺吸式害虫的抗性；还需要额外的遗传组分如催化倍半萜羧酸衍生物生成的酶、调控 zFPS/SBS 表达的转录因子以及参与细胞壁重塑的基因。