Sex pheromone biosynthesis in the sugarcane borer Diatraea saccharalis: paving the way for biotechnological production
- 作者
- Marie Inger Dam, Bao-Jian Ding, Glenn P. Svensson, Hong-Lei Wang, Douglas J. Melo, Jean-Marc Lassance, Paulo H. G. Zarbin, Christer Löfstedt
- 单位
- Department of Biology, Lund University; Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná; Department de gestion vétérinaire des Ressources Animales (DRA), University of Liege
- 杂志
- Pest Management Science（2023）
- DOI
- 10.1002/ps.7830
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析甘蔗螟虫（Diatraea saccharalis）雌性性信息素主要组分(9Z,11E)-hexadecadienal及次要组分的生物合成途径，并探索其在酵母中异源生产以支持基于性信息素的害虫综合治理。
研究策略
结合体内氘标记实验、转录组差异表达分析以及酵母表达系统对候选脱饱和酶和还原酶进行功能鉴定，并在酵母中共表达多个生物合成步骤实现信息素醇的异源生产。
研究路线图
核心内容
本研究以甘蔗螟虫雌性性信息素生物合成为对象，旨在为基于性信息素的害虫绿色防控提供生物技术生产途径。通过体内氘标记实验、转录组差异表达分析和酵母异源表达系统，系统解析了主要组分(9Z,11E)-hexadecadienal及其次要组分的合成路径。结果显示，性信息素腺体中主要组分含量约1 ng/雌虫，Z9,E11-16:Ald、Z11-16:Ald和16:Ald的比例为66:19:15；体内标记证实16:acid经Δ9和Δ11脱饱和及还原逐步生成各异构体。转录组组装获得267,839个转录本（N50为1,689 bp，BUSCO完整性93.9%），从中筛选到12个脱饱和酶、10个还原酶及1个脂肪醇氧化酶基因，其中Dsac_KPSE、Dsac_NPAQ、Dsac_FAR3781等为雌性腺体高表达（TPM>100）。酵母功能鉴定确认Dsac_KPSE为Δ9脱饱和酶、Dsac_NPTQ/NPAQ为Δ11脱饱和酶、Dsac_FAR3781为脂肪酸还原酶，共表达这些基因成功产生Z9-16:OH、Z11-16:OH和Z9,E11-16:OH等关键信息素醇前体。该工作首次阐明该虫性信息素完整生物合成酶学基础，并在酵母中实现多步通路重建，为规模化生物合成性信息素用于害虫综合治理奠定了关键基础。
创新点
首次阐明D. saccharalis性信息素主要组分的完整生物合成途径；鉴定了参与Δ9和Δ11脱饱和及脂肪酸还原的关键酶；在酵母中实现了多种信息素醇的异源生产。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 性信息素生物合成途径 | Dsac_KPSE | Δ9 脂肪酸脱饱和酶 | 催化 | 在Δole1/Δelo1酵母中表达将16:acid转化为Z9-16:acid等Δ9单不饱和脂肪酸 |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 性信息素生物合成途径 | Dsac_NPTQ | Δ11 脂肪酸脱饱和酶 | 催化 | 克隆自cDNA的变体，在酵母中表达产生Z11-16:acid及少量Δ9,Δ11-16:acid |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 性信息素生物合成途径 | Dsac_NPAQ | Δ11 脂肪酸脱饱和酶 | 催化 | 转录组组装的Δ11脱饱和酶，与Dsac_NPTQ相似但有几个氨基酸差异 |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 性信息素生物合成途径 | Dsac_FAR3781 | 脂肪酸还原酶（pgFAR） | 催化 | 将脂肪酸还原为相应脂肪醇，与脱饱和酶共表达产生信息素醇 |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 性信息素生物合成途径 | Dsac_FAO1 | 脂肪醇氧化酶候选蛋白 | 催化 | 雌性高表达候选基因，与CsupFAO_15570有98.7%氨基酸相似性，未做酵母功能验证 |
关键发现
- 性信息素腺体中主要组分Z9,E11-16:Ald含量约1 ng/雌虫腺体，Z9,E11-16:Ald、Z11-16:Ald和16:Ald的比例为66±9.9%、19±6.7%和15±5.2%
- Δ11-16:Ald异构体中Z,E、Z,Z和E,E比例分别为87±2.6%、13±1.6%和1±1.2%。体内标记表明D3-16:acid可掺入所有Δ9,Δ11-16:Ald/acid异构体、Z9-16:Ald/acid、Z11-16:Ald/acid和16:acid
- D14-Z9-16:acid掺入Z9,E11-16:Ald/acid、Z9,Z11-16:Ald/acid和Z9-16:Ald/acid
- D9-Z11-16:acid和D5-E11-16:acid仅分别掺入Z11-16:Ald/acid和E11-16:Ald。转录组组装获得267,839个转录本，N50为1,689 bp，BUSCO完整性93.9%（Insecta）和87.6%（Endopterygota）。筛选到12个脱饱和酶、10个还原酶和1个脂肪醇氧化酶基因
- 其中Dsac_NPAQ、Dsac_KPSE、Dsac_FAR3781和Dsac_FAO1为雌性高表达（>100 TPM，雌雄比>10）。酵母功能表达证实Dsac_KPSE为Δ9脱饱和酶，Dsac_NPTQ/NPAQ为Δ11脱饱和酶，Dsac_FAR3781为脂肪酸还原酶
- 共表达这些基因可产生Z9-16:OH、Z11-16:OH和Z9,E11-16:OH。
研究结论
本研究阐明了D. saccharalis性信息素生物合成途径，鉴定出关键的脱饱和酶和还原酶，并在酵母中成功异源表达多步通路产生信息素醇，为生物技术生产该害虫性信息素用于害虫治理奠定了基础。