虫害诱导棉花萜烯合成酶TPS基因的鉴定及功能分析

Plants attacked by insect herbivory emit large amounts of characteristic volatile terpenoids, which can directly affect feeding behavior and oviposition preference of attacking insects (i.e. direct defense) and are also implicated in plants ‘crying for help’ to natural enemies of the insects (i.e. indirect defense). To understand the biosynthesis and regulation mechanisms of herbivore-induced cotton terpenes and the effect of these terpenes on target insect behavior, we will identify which TPS genes are differentially expressed in response to insect herbivory using qPCR, characterize candidate TPS genes involved in the production of herbivore-induced terpenoid components via heterologous expression and enzyme activity assays and investigate the roles of individual compounds in the interactions between plants, insects and parasitoids in vivo by overexpressing two or three key TPS genes in tobacco plants. Knowledge gained from this project will help understand the ecological function of cotton TPS gene, generate markers for the breeding of new cotton cultivars with improved resistance and lay a solid foundation for the application of techniques based on ecologically functional chemicals for pest control.

植物被害虫取食后大量释放的特异性萜烯挥发物，在驱避避靶标害虫取食和产卵的直接防御反应以及在吸引天敌的间接防御反应中都发挥着重要功能。本申请以解析虫害诱导棉花萜烯挥发物生物合成与调控机制，系统阐述其在靶标昆虫行为调控中的生物学功能为切入点，计划先系统鉴定棉花被昆虫取食特异性诱导的萜烯合成酶基因TPS，再通过克隆、原核表达及体外酶促反应，明确候选TPS基因的体外酶活性；进一步用转基因手段在烟草中超表达2-3个关键TPS，以棉花/烟草-棉铃虫-中红侧沟茧蜂三级营养关系为模式，研究活体植株内虫害诱导萜烯组分在靶标昆虫行为调控中的功能。项目研究有助于阐明棉花TPS的生态调控功能以及抗虫棉新品种的培育，为促进化学生态调控技术在害虫治理中的应用提供技术理论参考。

植物被植食性昆虫危害后会释放大量的特异性萜烯挥发物，它们在驱避和毒杀害虫的直接防御反应以及吸引天敌的间接防御反应中发挥着重要功能。本项目系统构建了虫害诱导棉花挥发物图谱，棉铃虫和绿盲蝽同时取食诱导释放37种挥发物组分，其中萜烯挥发物16种，(E)-β-罗勒烯、DMNT和芳樟醇为三种最多的萜烯组分。全面鉴定了雷蒙德氏棉和陆地棉基因组中TPS家族基因，解析了12个重组蛋白GhTPS4-15的体外底物催化活性，它们的酶活产物是棉花诱导挥发物中主要的萜烯组分。其中GhTPS12催化生成(3S)-芳樟醇。超表达GhTPS12烟草突变体植株释放大量的(3S)-芳樟醇，对棉铃虫雌成虫的产卵和烟蚜的取食具有显著的驱避作用。进一步克隆了(E)-β-罗勒烯合成酶基因GhTPS16并鉴定其体外酶活，GhTPS16属于单萜的TPSb亚家族基因，可溶性重组蛋白GhTPS16以GPP为底物催化生成(E)-β-罗勒烯。另外，通过绿盲蝽取食诱导的棉花转录组及挥发物谱分析，我们揭示了绿盲蝽取食激活植物激素JA和SA途径相关基因以及挥发物合成途径相关基因的上调表达，最终导致棉花挥发物及特异组分MeSA的增多释放，它们在吸引寄生蜂红颈常室茧蜂的过程中发挥着重要作用。研究结果为通过调节植物挥发物释放量来调控靶标害虫及其天敌的行为提供了新思路，有助于促进应用化学生态调控技术进行有害生物的绿色防控。