酵母细胞工厂合成棉铃虫性信息素的研究

As progressive resistance of Helicoverpa armigera Hubner on chemical control and biological methods based on Bt, there is an urgent need for new means of control for this bugs. Use of insect sex pheromone is one of the most effective methods for control of H. armigera, however high cost and pollution of chemical synthesis of sex pheromone of H. armigera made it hard for their large-scale application in agriculture. By synthetic approach, sex pheromone could be produced by fermentation with a microbial cell factory using glucose as substrates，which is expected to substantially reduce the cost of synthesis of insect sex pheromone. In this project, we would identify all key bioparts for biosynthesis of the sex pheromone at firstly. And then we could design and construct a yeast cell factory by integration of the key bioparts for biosynthesis of sex pheromone into a yeast chassis. After optimization of fermentation, extraction and purification process, sex pheromone of H. armigera could be prepared from the yeast factory in high efficiency and low cost and their bioactivity will also be evaluated. This project is expected to develop a low cost and low contamination of the sex pheromone of the green production technology and applied to the prevention and control of H. armigera.

棉铃虫是农作物上的重要害虫。由于该虫的抗性十分广泛，重新强化使用性信息素这种用量小、环境友好的方法势在必行。但是，传统的化学方法合成棉铃虫性信息素成本高、污染大，难以在农业生产中大规模应用。因此，寻求新的合成方法是解决问题的关键所在。通过合成生物学手段，在酿酒酵母底盘细胞中整合性信息素合成途径构建细胞工厂，有望通过发酵以葡萄糖为原料大量制备棉铃虫性信息素，大幅降低其合成成本。在本研究中，我们将通过功能鉴定来获得棉铃虫性信息素生物合成途径的关键元件，优化设计性信息素的合成途径并整合到酵母细胞基因组中，构建高效的棉铃虫性信息素细胞工厂。通过细胞工厂的发酵放大及产物纯化，大量合成棉铃虫信息素，并验证酵母合成棉铃虫性信息素的生物学功能。本研究有望克服化学法合成的缺点，形成低成本和低污染的性信息素绿色生产工艺并应用于棉铃虫的防治，也将为其它昆虫性信息素的生物合成提供通用平台。

棉铃虫（Helicoverpa armigera Hubner）是一种重要的农业害虫。由于棉铃虫对化学防治和基于Bt的生物防治方法已经或逐渐产生抗性, 所以迫切需要新的防治手段，而运用昆虫性信息素是有效防治棉铃虫的有效替代方法之一并具有环境友好等优点。顺-11-十六烯醛（Z11-16:Ald）和顺-9-十六烯醛（Z9-16:Ald）是棉铃虫性信息素的主要成分。虽然上述两种成分均可以化学合成，但由于合成成本高且污染严重，导致棉铃虫性信息素还难以在农业生产中大规模应用。合成生物学技术具有成本低和环境友好等优点，为棉铃虫性信息素的高效合成提供新的机遇。在本研究中，我们首先完成了除醇氧化酶之外棉铃虫性信息素生物合成途径的大部分元件的功能鉴定。为了实现棉铃虫性信息素生物的合成，我们设计了不依赖于醇氧化酶的性信息素人工合成途径以及高产自由脂肪酸的酵母底盘细胞，然后在该酵母底盘细胞中完成了人工合成途径的重构和优化，在一个酵母细胞工厂内同时实现了醛类性信息素Z11-16:Ald和Z9-16:Ald的从头合成。接着我们对该酵母细胞工厂进行了发酵优化，使得Z11-16:Ald和Z9-16:Ald产量分别达到产量达到67mg，通过电生理和行为学实验验证了酵母合成性信息素即使不进行纯化也具有相应的生物学功能，从而为昆虫性信息素合成和应用提供了新的绿色技术路线。