The antioxidative defense system is involved in the premature senescence in transgenic tobacco (Nicotiana tabacum NC89)
- 作者
- Yu Liu, Lu Wang, Heng Liu, Rongrong Zhao, Bin Liu, Quanjuan Fu, Yuanhu Zhang
- 单位
- State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University; Shandong Institute of Pomology
- 杂志
- Biological Research（2016）
- DOI
- 10.1186/s40659-016-0088-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
过表达α-法尼烯合酶1（MdAFS1）的转基因烟草出现早衰表型，其分子机制尚不明确，特别是抗氧化防御系统和活性氧（ROS）在早衰过程中的作用。
研究策略
构建MdAFS1过表达转基因烟草（T3-1、T3-2、T3-3），通过比较野生型和转基因株系的表型、生理生化指标、转录组差异表达基因、抗氧化酶活性及基因表达，并结合DCMU氧化胁迫处理分析早衰机制。
核心内容
该研究构建了过表达苹果α-法尼烯合酶基因MdAFS1的转基因烟草，以探究其早衰表型的分子机制。通过比较转基因株系与野生型在表型、光合色素含量、活性氧水平、抗氧化酶活性及转录组层面的差异，并结合DCMU氧化胁迫处理，系统分析了早衰成因。结果显示，转基因株系出现明显早衰，最终株高仅为野生型的76%左右，叶绿素a和b分别降低78.2%–87.1%和80.4%–93.7%，净光合速率下降超80%；同时O2⁻产生速率和H2O2含量分别提高约137%–148%和112%–120%，而APX、CAT和SOD活性分别降低42.9%–52.6%、56.6%–65.3%和44.7%–59.1%，MDA含量增加约120%–127%。转录组分析鉴定出5835个差异表达转录本，其中光合作用相关基因下调，蛋白降解相关基因上调。DCMU处理后转基因植株全部死亡，而野生型存活。该研究表明MdAFS1过表达导致抗氧化防御系统受损和ROS过量积累，是触发烟草早衰的关键原因，为理解植物衰老调控提供了新视角。
创新点
首次报道过表达苹果α-法尼烯合酶基因MdAFS1导致烟草早衰，并揭示抗氧化防御系统受损和ROS积累是早衰的重要原因；通过转录组测序系统分析了早衰相关通路的变化。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 甲羟戊酸(MVA)途径 | MdAFS1 | α-farnesene synthase 1 | 催化 | 来自苹果果皮的α-法尼烯合酶基因，催化FPP合成α-法尼烯，过表达引起早衰 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 活性氧清除 | APX | 抗坏血酸过氧化物酶 | 催化 | 转基因株系中活性显著降低（降低42.9%-52.6%） |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 活性氧清除 | CAT | 过氧化氢酶 | 催化 | 转基因株系中活性显著降低（降低56.6%-65.3%） |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 活性氧清除 | SOD | 超氧化物歧化酶 | 催化 | 转基因株系中活性显著降低（降低44.7%-59.1%） |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 氮代谢 | Nia | 硝酸还原酶 | 催化 | 转基因株系中下调表达 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 氮代谢 | GS2 | 叶绿体谷氨酰胺合成酶 | 催化 | 转基因株系中下调表达 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 氮代谢 | GDH | 谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 转基因株系中上调表达 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 叶绿素降解 | CHL | 叶绿素酶 | 催化 | 转基因株系中上调表达 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 蛋白质降解 | NtCP1 | 半胱氨酸蛋白酶 | 催化 | 衰老标记基因，上调表达 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum NC89) | 蛋白质降解 | SAG12 | 半胱氨酸蛋白酶 | 催化 | 衰老标记基因，上调表达 |
关键发现
- 过表达MdAFS1的转基因烟草表现出早衰表型：8周龄时茎长约为21 cm（WT约2.0 cm），最终株高WT为108.0 cm，转基因系为81.7-84.0 cm
- 转基因系叶绿素a降低78.2%-87.1%，叶绿素b降低80.4%-93.7%，类胡萝卜素降低70.5%-79.2%，可溶性蛋白降低51.6%-53.8%，净光合速率降低81.9%-84.8%，MDA含量增加119.7%-127.1%
- O2-产生速率提高136.6%-147.5%，H2O2含量提高111.5%-119.8%
- APX活性降低42.9%-52.6%，CAT活性降低56.6%-65.3%，SOD活性降低44.7%-59.1%
- 种子千粒重增加111.4%-117.1%，但蒴果数减少66.7%-76.9%。转录组共获得249,185个unigenes，其中差异表达转录本5835个（2028个上调，3807个下调），光合作用相关87个unigenes下调，泛素介导蛋白水解、细胞生长和死亡相关基因上调。GC-MS检测到转基因花释放α-法尼烯0.41%，而WT未检测到
- WT中β-月桂烯0.34%、芳樟醇5.92%、石竹烯2.98%
- 转基因花中芳樟醇2.3%、石竹烯1.71%。DCMU处理后转基因植株全部死亡，WT存活。
研究结论
本研究揭示过表达MdAFS1导致转基因烟草早衰，其机制与抗氧化防御系统受损、ROS积累有关；ROS在植物早衰中起重要作用。转录组数据库为理解植物生长发育和衰老的分子基础提供了资源。