Diverting the Flux of the JA Pathway in Nicotiana attenuata Compromises the Plant's Defense Metabolism and Fitness in Nature and Glasshouse
- 作者
- Michael Stitz, Ian T. Baldwin, Emmanuel Gaquerel
- 单位
- Max Planck Institute for Chemical Ecology, Department of Molecular Ecology, Jena, Germany
- 杂志
- PLoS ONE（2011）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0025925
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究茉莉酸（JA）途径通量重定向对植物防御代谢和适应性的影响，特别是内源茉莉酸甲酯（MeJA）作为信号分子的功能。
研究策略
通过异源表达拟南芥AtJMT基因，在野生烟草（Nicotiana attenuata）中创建JA甲基化代谢汇，将JA通量转向MeJA生成，从而降低游离JA及JA-Ile水平，并在温室和自然野外条件下比较转基因植物与对照的防御代谢、挥发物排放和害虫抵抗力。
研究路线图
核心内容
本研究通过在野生烟草中异源表达拟南芥AtJMT基因，将茉莉酸（JA）代谢通量转向茉莉酸甲酯（MeJA）生成，以此作为代谢汇来降低游离JA及活性形式JA-Ile的水平，并在温室和野外条件下系统评估了该操作对植物防御代谢与适应性的影响。结果显示，转基因35S-jmt植物在温室中种子荚数仅为野生型的约24%，而花柱长度减半；饲喂烟草天蛾幼虫11日龄体重较野生型增加约60%，表明抗虫能力显著削弱。野外实验中，35S-jmt植物累计害虫损伤显著高于对照，叶片中胰蛋白酶抑制剂活性降低32倍，烟碱积累降低2倍，多种挥发性有机物的排放量大幅减少（如cis-3-hexen-1-ol减少83%）。外源JA-Ile互补处理可完全恢复局部防御反应，而JA本身无效，证实JA-Ile才是激活防御的关键信号分子，内源MeJA并非直接信号。该研究证明利用代谢汇策略而非完全阻断JA合成，能有效解析JA通路中不同代谢物的功能分工，为植物防御代谢网络研究提供了新范式。
创新点
提出并验证了利用JA代谢汇（而非完全阻断JA合成）来破坏JA信号传导的研究策略，证明内源MeJA本身不是防御信号，并揭示了JA-Ile在局部和系统防御中的不同作用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana attenuata | 茉莉酸（JA）代谢通路 | AtJMT | JA O-甲基转移酶 | 催化 | 异源表达后催化JA甲基化生成MeJA，形成代谢汇，消耗游离JA池 |
| Nicotiana attenuata | JA生物合成 | NaLOX3 (lipoxygenase3) | 脂氧合酶3 | 催化 | 沉默该基因的as-lox3株系作为对照，阻断JA合成 |
| Nicotiana attenuata | JA信号代谢 | JAR4/JAR6 | JA-异亮氨酸合成酶 | 催化 | 催化JA与异亮氨酸偶联生成JA-Ile，其活性在35S-jmt中被甲基化反应竞争性抑制 |
| Nicotiana attenuata | JA信号感知 | NaCOI1 | COI1（茉莉酸受体） | 调控 | 作为JA-Ile受体，介导JA依赖性防御基因表达 |
| Nicotiana attenuata | JA代谢 | — | MeJA酯酶 (MJE) | 催化 | 将MeJA水解为JA，但在35S-jmt中被AtJMT的甲基化作用超越 |
关键发现
- 35S-jmt植物在温室中产生的种子荚数约为WT的24%（11 vs 46），但花柱长度减半，手工授粉后种子荚数恢复至WT水平
- 在M. sexta幼虫生物测定中，饲喂35S-jmt-1、35S-jmt-2和as-lox3的幼虫11日龄体重分别比WT增加61%、60%和51%
- 野外实验中，35S-jmt-1植物的累计害虫损伤在第2、3、4次观测时均显著高于EV（P=0.0016、0.0019和0.002）
- 与EV相比，35S-jmt-1植物挥发物排放中cis-3-hexen-1-ol减少83%，cis-3-hexenyl-butyrate减少89%，cis-3-hexenyl-acetate减少86%，α-terpineol减少81%，trans-α-bergamotene减少65%，β-myrcene减少20%
- 野外叶片中，35S-jmt-1的TPI活性降低32倍，烟碱积累降低2倍，DTG含量平均降低10倍
- JA-Ile互补处理可完全恢复局部TPI活性至WT水平，并部分恢复烟碱和DTG含量，但对系统叶片无作用，JA处理无效
- 代谢组学分析显示，35S-jmt-1中约9%的离子信号差异表达（>2倍，FDR<1%），包括苯丙烷-多胺偶联物等。
研究结论
研究证明JA途径的代谢稳态和JA-Ile的生成对植物抗虫防御至关重要；内源MeJA并非激活防御的信号分子，必须被水解并偶联异亮氨酸才能发挥作用；通过代谢汇策略阻断JA信号传导是解析植物防御代谢调控网络的有效手段。