PBJ | 利用香豆素的生物合成提升植物抗病的新策略

大豆是油类，氨基酸类和蛋白质类等营养物质的重要来源，因此属于地球上最重要的经济作物。美国、巴西和阿根廷是主要的大豆生产国，提供了全球80% 以上的大豆产量。但是，很多真菌引起的疾病严重威胁大豆生产，经常导致经济损失，比如：Fusarium virguliforme和Heterodera glycines引起的大豆猝死综合症 (SDS) 是大豆作物常见的晚季病害。因此，培育具有对F. virguliforme和H. glycines双重抗性的大豆品种是保证大豆产量的具有很大潜力的策略。东莨菪内酯是次级代谢物香豆素类化合物，是一种有效的抗氧化剂，由于其抗真菌、抗菌、抗病毒和驱虫活性。所以，香豆素具有提供广谱的病虫害和抗病性的潜力。

近日，德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University) 植物生理系Caspar J. G. Langenbach团队在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal发表了题为“Engineered coumarin accumulation reduces mycotoxin-induced oxidative stress and disease susceptibility”的研究性文章。该研究发现人工合成的香豆素可以减少真菌毒素引起的氧化应激和疾病易感性。

研究发现，在拟南芥中，东莨菪内酯生物合成与 FERULOYL-CoA 6-HYDROXYLASE 1(F6’ H1)基因的表达相关。AtF6’ H1编码2-oxoglutarate-dependent dioxygenase并催化feruloyl-CoA的羟基化为6-hydroxyferuloyl-CoA。在这项工作中，研究人员在瞬时转化的烟草和稳定转化的拟南芥和大豆植株，以及在烟草BY-2培养细胞中，探讨了AtF6’ H1过表达的可行性，以组成性积累简单香豆素，特别是东莨菪内酯和东莨菪碱。研究人员还评估了AtF6’ H1过表达对各种植物-病原体相互作用的可能影响。

为了了解AtF6’ H1的表达是否足以在另一种植物物种中获得香豆素生物合成的第一步，研究人员在烟草中瞬时过表达AtF6’ H1和不同荧光蛋白的融合蛋白。然后分析了东莨菪内酯的丰度、荧光强度、转基因表达以及转化叶片中融合蛋白的积累和定位。最终发现，表达 AtF6’ H1的叶子中东莨菪内酯的水平从0.23到1µg/g FW 不等(图一)。

图一、AtF6’ H1的短暂过表达会导致东莨菪素的积累

接下来，研究人员分析了香豆素在稳定过表达AtF6’ H1的拟南芥中的积累。研究发现，转基因拟南芥和大豆之间存在明显的差异。拟南芥叶片无论正面还是背面在紫外光下都显示出强烈的东莨菪内酯荧光(图二)。相比之下，转基因大豆叶片的只有背面在紫外光下显示出强烈的荧光(图二)。拟南芥叶中的东莨菪碱浓度是大豆的5倍，最大分别为~370µg /g FW 和~ 80µg /g FW (图二)。转基因拟南芥和大豆事件的叶片中东莨菪内酯含量相似，平均含量约为~ 3µg /g FW。在未转化的拟南芥和大豆叶片中未检测到或仅检测到少量东莨菪素和东莨菪素。另外，在过表达 AtF6’ H1的拟南芥根中，东莨菪内酯(8-9µg /g FW)和东莨菪素(440-490µg /g FW)水平远高于转基因大豆根(~ 0.5µg /g FW 东莨菪内酯和~ 25µg /g FW 东莨菪内酯)( 图二)。同时，转基因拟南芥中香豆素丰度也普遍高于大豆叶片和根。

图二、AtF6' H1在拟南芥和大豆中的稳定过表达导致香豆素积累

接下来，研究发现当细胞损伤时，细胞内的东莨菪碱似乎很快转化为东莨菪内酯。由于东莨菪内酯和东莨菪碱对植物的健康具有保护作用，研究者研究了拟南芥野生型，AtF6' H1突变体和AtF6'H1过表达材料对胞囊线虫(BCN)的敏感性。研究发现，当大于200µg /g FW东莨菪碱的AtF6'H1过表达材料中，雌性和雄性线虫的感染率有明显的降低。接下来，研究者分析了未转化和AtF6'H1过表达的大豆植株与F. virguliforme的相互作用。接种后14天，非转基因植株和转基因植株的根都显示出腐烂，表明成功地感染了绿色镰刀菌(图三)。根系中的F. virguliforme感染也严重影响了两种基因型的茎部生物量(图三)。与野生型相比，转基因植物的F. virguliforme的根中DNA丰度略低，但差异无统计学意义(图三)。与这些发现表明，东莨菪素在体外浓度低于500µM时对F. virguliforme菌丝的生长没有显著抑制。这些结果表明，过量表达AtF6' H1并不能直接保护大豆免受F. virguliforme的侵染，而是减轻了 SDS 对植株的损伤。因此，香豆素在大豆体内的积累似乎可以诱导大豆对 SDS 病害的耐受性。最后，研究者也发现香豆素在AtF6' H1过表达细胞中的积累减弱了真菌毒素诱导的ROS 积累和细胞死亡。

图三、大豆稳定过表达AtF6' H1诱导SDS耐受性

总的来说，香豆素可以对抗病原体，因此有望用于农作物保护。然而，它们的生物合成尚未在作物中进行基因改造。研究者分析了香豆素在转基因烟草、大豆和拟南芥植物以及红花烟草 BY-2悬浮细胞中的组成性积累。通过过表达拟南芥AtF6' H1，编码东莨菪内酯生物合成的关键酶。拟南芥根中东莨菪碱含量高，与其对根寄生线虫的敏感性降低相一致。此外，转基因大豆植株对土传致病真菌F. virguliforme的耐受性较强。由于AtF6' H1过表达活性氧类减少了真菌毒素诱导的细胞积聚和细胞死亡。总之，工程香豆素积累有希望提高作物的抗病能力。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14144

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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