高级醇 · 代谢工程文献库

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Constitutive and induced insect resistance in RNAi-mediated ultra-low gossypol cottonseed cotton

作者
Steffen Hagenbucher, Michael Eisenring, Michael Meissle, Keerti S. Rathore, Jörg Romeis
单位
Agroscope, Research Division Agroecology and Environment, Reckenholzstrasse 191, 8046 Zurich, Switzerland; Department of Soil and Crop Sciences, Institute for Plant Genomics & Biotechnology, Texas A&M University, College Station, TX, USA
杂志
BMC Plant Biology（2019）
DOI
10.1186/s12870-019-1921-9
所属领域
代谢工程
关键词
Genetically modified cropsGlandless cottonGossypium hirsutumGossypolSpodoptera littoralisTAM66274ULGCS
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解决的核心问题

利用RNAi技术培育的籽棉超低棉酚棉花（ULGCS）在降低种子棉酚含量的同时，是否会影响植株的组成型和诱导型昆虫抗性，尤其是针对鳞翅目害虫的萜烯类防御能力。

研究策略

以两个ULGCS转基因棉花品系（RNAi 1: 66-49B；RNAi 2: 66-274）和非转基因对照Coker 312为材料，通过生测比较草地贪夜蛾（Spodoptera littoralis）在子叶和真叶上的存活率、体重及取食面积；同时使用茉莉酸处理和虫害处理诱导植物，HPLC测定棉酚、半棉酚酮和螺内酯等萜烯类化合物含量，并开展幼虫取食选择实验。

研究路线图

100%
研究问题：ULGCS棉花是否影响组成型与诱导型昆虫抗性
策略：以RNAi品系与C312为材料，开展生测与化学分析
关键改造：RNAi沉默δ-卡尔烯合酶，种子特异降低棉酚前体
子叶期：棉酚大幅降低，幼虫体重与取食面积显著升高
真叶期：未诱导时RNAi 1抗性略降，整体萜烯类基本保持
虫害诱导后：ULGCS系幼虫表现更优，诱导抗性受损
茉莉酸诱导：各品系抗性无显著差异
选择实验：幼虫无显著品系间偏好
结论：真叶抗性基本完整，子叶期需额外化学保护
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核心内容

该研究以两个RNAi介导的超低棉酚棉花品系（RNAi 1、RNAi 2）和非转基因对照Coker 312为材料，系统评估了降棉酚改造对植株组成型和诱导型昆虫抗性的影响。通过草地贪夜蛾生测发现，子叶阶段因棉酚含量大幅下降，幼虫取食面积和体重均显著高于对照，例如取食7天后RNAi 1幼虫体重达43.1 mg而对照仅28.9 mg，表明苗期抗虫性明显削弱。然而在真叶阶段，未处理时RNAi 1的半棉酚酮和棉酚浓度虽低于对照，但虫害诱导后各品系间萜烯类防御化合物积累差异不大，幼虫体重虽在转基因品系上略高，茉莉酸处理下则无显著差异，选择实验也未表现出明显偏好。综合而言，ULGCS棉花的组成型和诱导型昆虫抗性在真叶期基本保持完整，但子叶期因棉酚缺失而更易受害，生产中可能需在萌发初期辅以化学保护措施以弥补这一脆弱窗口期。

创新点

首次系统评估了ULGCS棉花的直接昆虫抗性，包括组成型抗性和茉莉酸/虫害诱导的抗性；结合化学分析和行为学实验揭示了ULGCS系在子叶阶段因棉酚降低而更易受昆虫为害，而在真叶阶段整体抗性基本保持。

研究对象（1）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Gossypium hirsutum (Coker 312, RNAi 1: 66-49B, RNAi 2: 66-274) 棉酚及萜烯类生物合成通路 δ-cadinene synthase δ-cadinene synthase 催化 RNAi介导的种子特异性沉默，降低δ-cadinene（棉酚前体）的合成，导致籽棉棉酚含量大幅降低。

关键发现

  1. 子叶中棉酚浓度大幅降低，RNAi 1品系在第1天和第4天分别有28.6%和20.0%的植株检测不到棉酚，RNAi 2分别为33.3%和38.9%
  2. 取食子叶7天后，RNAi 1幼虫体重43.1±4.35 mg，RNAi 2为49.8±3.97 mg，显著高于对照Coker 312的28.9±4.14 mg
  3. 取食面积方面RNAi 1为4.74±0.41 cm²，RNAi 2为5.03±0.36 cm²，对照为2.70±0.35 cm²。真叶未处理时，RNAi 1的hemigossypolone和gossypol浓度显著低于对照，但RNAi 2与对照无差异
  4. 虫害诱导后，幼虫在ULGCS系上表现更好（7天后体重：Coker 312为6.38±0.882 mg，RNAi 1为9.98±1.726 mg，RNAi 2为12.24±1.806 mg）
  5. 茉莉酸处理下各品系间无显著差异。选择实验中，幼虫对未诱导叶片的偏好指数为0.39至0.76，但对三个品系间无显著偏好。

研究结论

ULGCS棉花的萜烯类组成型和诱导型昆虫抗性在真叶阶段基本保持完整，但子叶阶段因棉酚含量极低而导致抗虫性下降，可能需要在萌发初期采取额外的化学保护措施。