Genetic engineering of plant volatile terpenoids: effects on a herbivore, a predator and a parasitoid
- 作者
- Martine Kos, Benyamin Houshyani, Aart-Jan Overeem, Harro J Bouwmeester, Berhane T Weldegergis, Joop JA van Loon, Marcel Dicke, Louise EM Vet
- 单位
- Laboratory of Entomology, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands; Laboratory of Plant Physiology, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands; Department of Terrestrial Ecology, Netherlands Institute of Ecology (NIOO-KNAW), Wageningen, The Netherlands
- 杂志
- Pest Management Science（2012）
- DOI
- 10.1002/ps.3391
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过基因工程改造植物挥发性萜类化合物释放，增强天敌对害虫的防控效果，并研究其对植食性昆虫（甘蓝蚜）及其天敌（寄生蜂和捕食者）行为的影响。
研究策略
在三个拟南芥生态型（An-1, Col-0, Eri）中组成型共表达草莓FaNES1基因和拟南芥内源FPS2基因，将酶靶向线粒体，分析转基因植株挥发性有机物释放变化，并通过行为学实验测试甘蓝蚜、寄生蜂（Diaeretiella rapae）和捕食性食蚜蝇（Episyrphus balteatus）的响应。
研究路线图
核心内容
该研究通过在三个拟南芥生态型（An-1、Col-0、Eri）中组成型共表达草莓芳樟醇/橙花叔醇合酶基因FaNES1与拟南芥内源FPS2基因，并将酶靶向线粒体，考察了挥发性萜类释放改变对甘蓝蚜、寄生蜂Diaeretiella rapae和捕食性食蚜蝇Episyrphus balteatus三类昆虫行为的影响。转基因植株释放出野生型中不存在的(E)-nerolidol，并显著提高了(E)-DMNT和linalool的释放量，其中An-FaNES1的(E)-nerolidol释放量显著高于Eri-FaNES1。行为学实验显示，甘蓝蚜显著偏好野生型Col-0和Eri而非转基因系，而寄生蜂则显著偏好经蚜虫侵害的转基因An-FaNES1和Col-FaNES1植株，捕食者无显著偏好。同时，蚜虫在转基因与野生型植株上的存活率、发育时间及内禀增长率等适合度参数无显著差异，例如An-1与An-FaNES1上内禀增长率均为0.288。上述结果表明，通过基因工程改造植物挥发性萜类释放可在不影响蚜虫适合度的前提下驱避植食者并增强寄生蜂吸引，该策略在害虫生物防治中具应用潜力，但仍需在作物和田间条件下进一步验证。
创新点
首次在多个拟南芥生态型中验证FaNES1基因工程效果；在构建中加入FPS2以确保前体供应；同时评估了植食性昆虫、寄生蜂和捕食者三类功能群的行为响应，其中捕食性食蚜蝇为首次测试。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana (An-1, Col-0, Eri) | 萜类生物合成途径 | FaNES1 | 芳樟醇/橙花叔醇合酶 (linalool/nerolidol synthase) | 催化 | 来自草莓，双功能酶，同时催化nerolidol从FDP和linalool从GDP；靶向线粒体 |
| Arabidopsis thaliana (An-1, Col-0, Eri) | 萜类生物合成途径 | FPS2 | 法尼基焦磷酸合酶 (farnesyl diphosphate synthase) | 催化 | 内源基因，过表达以确保(E)-nerolidol前体FDP供应 |
| Arabidopsis thaliana (An-1, Col-0, Eri) | 转基因表达系统 | 35S CaMV启动子 | — | 调控 | 组成型启动子驱动FaNES1和FPS2表达 |
关键发现
- 转基因FaNES1表达植株释放(E)-nerolidol（野生型不释放），并显著增加(E)-DMNT和linalool释放
- An-FaNES1的(E)-nerolidol释放量显著高于Eri-FaNES1 (ANOVA F=6.01, P=0.017)，Col-FaNES1的(E)-DMNT释放量显著高于Eri-FaNES1 (ANOVA F=4.26, P=0.043)。行为学上，甘蓝蚜B. brassicae显著偏好野生型Col-0和Eri植株而非转基因系（χ²=10.47, P=0.001
- χ²=4.27, P=0.039），对An-1无差异
- 寄生蜂D. rapae显著偏好蚜虫侵害的转基因An-FaNES1和Col-FaNES1植株（χ²=4.12, P=0.042
- χ²=5.28, P=0.022），对Eri无差异
- 捕食者E. balteatus无显著偏好。蚜虫在转基因和野生型植株上的表现（存活率、发育时间、成虫鲜重、后代数、内禀增长率rm）均无显著差异，如An-1上rm=0.288，An-FaNES1上rm=0.288。
研究结论
通过基因工程改变植物挥发性萜类释放可以驱避植食性蚜虫并增强寄生蜂吸引，对捕食性食蚜蝇无显著影响，该策略在生物防治中有应用潜力，但需在作物和田间条件下进一步验证。