Terpene produced by coexpression of the TPS and P450 genes from Lavandula angustifolia protects plants from herbivore attacks during budding stages
- 作者
- Zhengyi Ling, Jingrui Li, Yanmei Dong, Wenying Zhang, Hongtong Bai, Shu Li, Su Wang, Hui Li, Lei Shi
- 杂志
- BMC Plant Biology（2023）
- DOI
- 10.1186/s12870-023-04490-7
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物在芽期如何通过萜类化合物防御食草动物，以及薰衣草中萜烯合酶(TPS)和细胞色素P450(CYP)基因的功能及其生态学机制尚不清楚。
研究策略
基于转录组筛选芽期高表达的LaTPS7、LaTPS8和LaCYP71D582基因，通过体外酶活测定、烟草瞬时表达、亚细胞定位、拟南芥启动子-GUS分析、MeJA处理及蚜虫/瓢虫行为学实验，系统解析其功能和生态学意义。
核心内容
该研究从薰衣草芽期转录组中筛选并克隆了高表达的LaTPS7、LaTPS8和LaCYP71D582基因，通过体外酶活测定、烟草瞬时共表达、亚细胞定位及行为学实验系统解析了其功能。体外实验显示LaTPS7和LaTPS8能以GPP和NPP为底物产生多种单萜，在烟草中分别主要生成柠檬烯和α-蒎烯；共表达LaTPS7与LaCYP71D582后新产生香芹醇，证明该P450酶可将柠檬烯羟基化为香芹醇，首次功能表征了薰衣草CYP71D582。行为学实验表明，表达LaTPS7及其与LaCYP71D582共表达的叶片对蚜虫驱避率约70%，而对瓢虫吸引率达到58.33%，标准品测试也证实柠檬烯和香芹醇分别以约60%-70%的效率驱避蚜虫和吸引瓢虫。此外，LaTPS7启动子受机械损伤诱导，茉莉酸甲酯处理可使花期表达量提高近10倍。该结果揭示了薰衣草芽期通过合成挥发性萜烯直接驱避害虫并吸引天敌的三营养级防御机制，为植物源生物防治策略提供了理论依据和潜在基因资源。
创新点
首次在薰衣草中克隆并功能表征了CYP71D582基因，证明其可将柠檬烯羟基化为香芹醇；揭示了LaTPS7与LaCYP71D582的共表达介导的萜烯合成与防御功能；明确了柠檬烯和香芹醇对蚜虫的驱避作用及对瓢虫的吸引作用，并定量评估了其生态效应。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21 (DE3) | 萜类合成（MEP/MVA途径） | LaTPS7 | LaTPS7 | 催化 | 体外酶活测定，以GPP和NPP为底物生成多种单萜 |
| Escherichia coli BL21 (DE3) | 萜类合成（MEP/MVA途径） | LaTPS8 | LaTPS8 | 催化 | 体外酶活测定，以GPP和NPP为底物生成多种单萜 |
| Nicotiana benthamiana | 萜类合成（质体MEP途径） | LaTPS7 | LaTPS7 | 催化 | 瞬时表达产生柠檬烯，定位于叶绿体 |
| Nicotiana benthamiana | 萜类合成（质体MEP途径） | LaTPS8 | LaTPS8 | 催化 | 瞬时表达产生α-蒎烯和sylvestrene，定位于叶绿体 |
| Nicotiana benthamiana | 萜类修饰（单萜氧化） | LaCYP71D582 | LaCYP71D582 | 催化 | 与LaTPS7共表达时将柠檬烯转化为香芹醇，定位于内质网 |
| Arabidopsis thaliana | 基因表达调控 | LaTPS7（启动子Pro-LaTPS7） | — | 调控 | GUS染色显示创伤诱导表达，响应MeJA信号 |
| Arabidopsis thaliana | 基因表达调控 | LaCYP71D582（启动子Pro-LaCYP71D582） | — | 调控 | GUS染色显示组成型表达，不受创伤诱导 |
| Lavandula angustifolia | 萜类合成（MEP/MVA途径） | LaTPS7, LaTPS8, LaCYP71D582 | LaTPS7, LaTPS8, LaCYP71D582 | 催化 | 芽期花腺毛中高表达，参与挥发性萜烯合成与植物防御 |
关键发现
- LaTPS7在体外以GPP和NPP为底物共产生9种单萜（α-蒎烯、莰烯、月桂烯、柠檬烯、萜品油烯、芳樟醇、萜品醇、橙花醇等）
- LaTPS8以GPP和NPP为底物产生α-蒎烯、月桂烯、sylvestrene、芳樟醇、葑醇、香叶醇等。在烟草中单独表达LaTPS7仅产生柠檬烯，LaTPS8产生α-蒎烯和sylvestrene
- 共表达LaTPS7与LaCYP71D582后新产生香芹醇，证明LaCYP71D582将柠檬烯转化为香芹醇。行为学实验显示：LaTPS7及LaTPS7+LaCYP71D582转化叶片对蚜虫驱避率约为70%，空载体对照约20%
- 表达LaTPS7的叶片对瓢虫吸引率为48.33%，共表达LaTPS7和LaCYP71D582的叶片吸引率为58.33%。标准品测试中，4.5%柠檬烯对蚜虫的驱避效果（27/47选择石蜡油），0.05%香芹醇驱避48/70蚜虫
- 柠檬烯(0.1%)吸引55/74瓢虫，香芹醇(0.025%)吸引45/70瓢虫，驱避/吸引率约60%-70%。LaTPS7启动子受机械损伤诱导，MeJA处理使花期LaTPS7表达量提高近10倍。
研究结论
薰衣草芽期高表达的LaTPS7、LaTPS8和LaCYP71D582通过产生柠檬烯、香芹醇等挥发性萜烯，直接驱避蚜虫并吸引瓢虫，形成三营养级防御机制，为植物源生物防治策略提供了理论依据和实践潜力。