结球甘蓝的α-法呢烯合成酶基因的功能解析

Plant-emitted terpenoids are the key “chemical fingerprints” for the localization of herbivores and nature enemies to plants. The terpene synthases (TPS) are the key enzymes for the production of terpenoids in plants. In Brassica oleracea and other vegetables, the emission of α-farnesene is highly induced by herbivore-damage. However, it remains unclear how this compound is synthesized and how it regulates vegetables’ defense to herbivores. In the current study, we use a tritrophic system, Brassica oleracea –Plutella xylostella –P. xylostella’s main natural enemies, to carry out the following studies: (1) Clone and express the α-farnesene synthase gene (BoTPSa) in vitro, and then measure its biochemical function in the synthesis of α-farnesene. (2) To understand the biological function of BoTPSa in vivo, we will over-express or silence the expression of this gene in B. oleracea and check the alternation of the emission of α-farnesene, and then measure the attractiveness of these plants to P. xylostella and its main natural enemies. (3) To understand the ecological function of BoTPSa and its product α-farnesene, we will investigate the dynamics of the invertebrate community on these transgenic B. oleracea plants. This project carries out a systematic study in a terpene synthase in an important Cruciferae vegetable, it not only investigates the molecular mechanism for the P. xylostella – induced production of α-farnesene in B. oleracea, but also explains the biological function of this chemical. Moreover, it investigates the ecological function of this chemical and its potential application in agriculture, which will also offer a good base for the study of the synthesis and functions of terpenoid volatiles in other Cruciferae plants.

植物释放的萜类挥发物是植食者及其天敌定位植物的重要化学指纹，萜类合成酶是萜类合成的关键酶。α-法呢烯在结球甘蓝等蔬菜中受虫害诱导大量释放，但其合成机制及在蔬菜防御植食者胁迫中的功能尚不清楚。本项目以结球甘蓝-小菜蛾-小菜蛾主要天敌为研究模式，(1)对结球甘蓝的α-法呢烯合成酶基因（BoTPSa）克隆和原核表达，确定其合成α-法呢烯的生化功能；(2)在结球甘蓝体内分别过表达和沉默BoTPSa基因，检测对α-法呢烯释放以及对小菜蛾和主要天敌行为的影响，评价BoTPSa基因的生物学功能；(3)在田间调查转基因结球甘蓝上的节肢动物群落动态，探索BoTPSa及其产物的生态学功能。本项目对十字花科蔬菜的萜类合成酶基因进行系统研究，解析结球甘蓝受小菜蛾胁迫诱导合成α-法呢烯的分子机制，阐述该化合物的生物学功能，探索其生态功能及在农业生产中的应用潜力，也为其他十字花科作物的萜类的合成和功能研究提供新依据。

萜类化合物是植物体内的一类重要的次生代谢化合物，在植物应对病虫害等生物胁迫中发挥重要作用。萜类化合物是植食性昆虫及其天敌定位植物的重要化学指纹，萜类合成酶是萜类化合物合成的关键酶。前期研究发现，倍半萜烯α-法呢烯在结球甘蓝等众多农作物中受虫害诱导而大量释放，但其合成机制及其在作物防御生物胁迫中的功能尚不清楚。本项目以结球甘蓝的萜类合成酶为研究对象，(1)通过对α-法呢烯合成的关键酶法呢烯合成酶(BoTPSa)进行基因克隆和进化分析，发现该基因在植物中高度保守，可能与α-法呢烯在植物中广泛分布及其重要功能有关；(2)通过研究BoTPSa基因的时空表达特性，发现该基因在结球甘蓝各器官中均有表达，不仅受小菜蛾和蚜虫等生物胁迫的诱导，也受高温和低温等非生物胁迫的诱导，说明该基因可能参与多种生理过程；(3)通过对BoTPSa蛋白进行原核表达和生化功能测定，发现该蛋白能催化FPP生成草烯、β-法呢烯和α-法呢烯等萜类化合物，说明该蛋白是一个多功能酶；(4)通过在拟南芥植株内对BoTPSa基因过表达，以及在结球甘蓝植株内利用基因枪法对BoTPSa基因进行沉默，发现该基因的过表达可能影响拟南芥的根系发育，也为后续深入研究BoTPSa基因的生物学功能奠定了基础；(5)通过在拟南芥原生质体中瞬时表达BoTPSa蛋白，发现该蛋白既不在细胞核也不在叶绿体中定位；(6)通过转录组分析技术研究了不同生物胁迫对结球甘蓝萜类合酶家族基因表达的影响，发现病害和虫害分别调控诱导不同的萜类合酶表达，说明植物的萜类合酶可能已经针对病害和虫害演化形成了不同的响应和防御调控功能，而BoTPSa蛋白能受虫害和致病细菌DC3000的双重诱导，说明该基因可能参与较广谱的生物胁迫防御。本项目对十字花科蔬菜的萜类合成酶基因进行了系统研究，阐述了合成α-法呢烯的核心萜类合酶的生化功能，构建了过表达和沉默关键基因BoTPSa的植株，为后续深入探索其生态功能及在病虫害防治中的潜在应用提供了基础，也为其他十字花科作物的萜类的合成和功能研究提供了依据。