二化螟诱导水稻特异性萜烯合成酶(TPS)基因的鉴定及功能分析

Attacked by target pests, rice can regulate the expression of specific OsTPS genes and its volatile products, paying important ecological functions in the process of plant defense against pests, such as attracting natural enemies of the pests. However, after feeding by C. suppressalis, the information about specific OsTPS genes expressed in rice having significant defense function was still not clear. Therefore, the starting point of this application is to resolve the biosynthesis and molecular regulation mechanism of rice volatile terpenes volatiles induced by C. suppressalis, and this project will be performed by as follows: 1) identifying the full-length of specific OsTPS genes in rice induced by rice stem borer; 2) characterizing specific OsTPS genes involved in the production of rice stem borer-induced terpenoid components via Prokaryotic expression and enzyme activity assays; 3) overexpressing or RNA interference these specific OsTPS genes in rice to clear how transgenic rices affect the behavior of target insect (Cotesia chilonis/C. suppressalis) and non-target insects (other rice stem borers/planthoppers), and clarify regulation roles of these OsTPS genes and their products to insect behaviors. Results obtained from this project will contribute to elucidate three trophic relationship function among rice, C. suppressalis, and C. chilonis regulated by SSB the key OsTPS genes and their products, and provide the research basis for the C. suppressalis green controls from perspective of regulated C. chilonis behavior.

水稻被害虫取食后能调控特异性OsTPSs及其挥发性产物表达，在水稻防御害虫危害过程中发挥重要生态学功能，如吸引害虫天敌等。然而，二化螟取食后水稻特异性表达具有显著防御功能的OsTPSs信息尚不明晰。因此，本申请以解析二化螟诱导水稻特异性萜烯挥发物生物合成及其分子调控机制为切入点，拟开展以下3个方面的研究：1) 鉴定水稻被二化螟取食后特异性表达的TPS基因全长序列；2) 原核表达TPS基因及体外酶促反应，明确其调控萜烯产物的种类；3) 在水稻中分别转基因超表达、RNAi干扰这些TPS基因，明确转基因水稻对靶标昆虫(二化螟绒茧蜂/二化螟)、非靶标昆虫(其它螟虫/飞虱)的行为影响，并明晰这些TPS基因及其产物在昆虫行为调控中的作用。本研究的结果将有助于阐明水稻关键TPS基因及其产物在水稻-二化螟-二化螟绒茧蜂三级营养关系中的功能，并为从害虫及其天敌行为调控角度出发实现螟虫绿色治理提供研究基础。

二化螟是水稻的主要害虫，水稻被其危害后可以特异性的上调萜烯合成酶OsTPSs基因及其产物吸引二化螟天敌，在防御二化螟危害过程中发挥重要生态学功能。然而，二化螟取食后，水稻特异性OsTPSs表达种类与其功能尚不清晰。经过本项目的研究，结果揭示，两个关键OsTPSs基因(OsTPS46、OsTPSc1)在水稻防御二化螟的过程中起到重要的功能。.具体研究结果如下：.1) 通过泛基因组及转录组测序方法，明确水稻中10种特异性OsTPSs基因表达量在被二化螟取食后显著升高(p < 0.05)，明确关键基因为OsTPSc1及OsTPS46；.2) OsTPSc1基因原核表达及体外酶促反应后，明确(E)-β-法尼烯是OsTPS46、OsTPSc1的共同代谢产物；.3) Y型管实验结果表明，相比对照，OsTPS46转基因超表达后的水稻与(E)-β-法尼烯均可显著吸引二化螟天敌-二化螟绒茧蜂(p < 0.05)，揭示OsTPSc1、OsTPS46可作为水稻抗二化螟种质资源的关键基因，而(E)-β-法尼烯是防御二化螟关键化合物；.4) 本研究又揭示了(E)-β-法尼烯还具有直接的防御害虫的功能；取食0.8 g/kg (E)-β-法尼烯可造成二化螟幼虫强烈致死，使其无法顺利完成羽化成虫的过程，表明OsTPSc1、OsTPS46基因的共同代谢产物(E)-β-法尼烯，在具有间接防御二化螟的同时，还兼具直接防御功能，可作为潜在的杀虫化合物；.5) 同时结果还表明，(E)-β-法尼烯对甜菜夜蛾幼虫具备强烈的致死作用的同时，4 g/kg的(E)-β-法尼烯还可显著抑制甜菜夜蛾雌成虫产卵数量(p < 0.05)。进一步研究表明，(E)-β-法尼烯首先干扰二化螟、甜菜夜蛾保幼激素的代谢途径，进而干扰SeVg蛋白和SeVgR的表达，从而产卵量显著下降以达到抑制种群发展的结果；.6) 此外，本研究进行了相关一系列拓展研究，如甜瓜TPS基因家族的进化分析，害虫鞘翅目天敌的触角气味结合蛋白的嗅觉识别机制及功能分析等研究。.通过本项目的顺利实施，明确OsTPS46和OsTPSc1是水稻防御二化螟的关键TPS基因，共同代谢产物(E)-β-法尼烯具有强效的直接和间接防御功能。研究结果可为开发二化螟天敌引诱剂，或直接转基因抗虫，进而绿色防控二化螟提供研究基础，具有重要的理论价值与应用前景。