玉米萜类合成酶基因表达调控研究

Many plant species emit volatile compounds upon herbivore attack.These emission often attract natural enemies of the herbivores,either predators or parasitoids, which use the volatiles as cues to locate their prey or hosts. The attraction of herbivore enemies by the plant, termed "indirected defense".These substances ,which act primarily role in indirect defense, are terpenes; and terpene synthase represent important regulatory steps in terpene formation. The related research works to date focus on terpene synthases' catalyzing reaction, structure and function in maize; however, terpene synthases' expression regulation pattern is unreported. In this study, terpene synthase genes sequence characteristics in gene family would be analysed by bioinformatics and terpene synthase promoters would be cloned and identified. The other research work is going to focus on obtaining the transcriptal factors, which regulate terpene synthase expression, through yeast one hybrid system and understanding the mechnism of terpene synthase expression regulation in maize. Through the maize endogenous insect resistance mechanism research, we expect to explore a new pest control way that combines plant endogenous and exogenous insect-resistance techniques.

许多植物受到害虫咬食后会产生挥发性物质，该挥发性物质能够吸引害虫的天敌来杀灭害虫，这类防御系统被称为间接防御系统。萜类化合物在间接防御中起到了非常重要的作用，萜类合成酶是合成萜类化合物的关键酶。目前在玉米中主要对于萜类合成酶的催化反应途径、结构及功能做了相关的研究；但是对于它们的表达调控机制还未见报道。本研究利用生物信息学分析玉米萜类合成酶基因家族各基因序列特点，在对基因的表达模式系统分析基础上，克隆玉米萜类合成酶基因的启动子，分析启动子的调控区段，利用酵母单杂交的方法获得调控萜类合成酶基因表达的转录因子，研究玉米萜类合成酶基因家族的表达调控机制。通过玉米内源抗虫机制的研究，期望探索一条利用植物内源和外源相结合来防治害虫的新途径。

玉米 (Zea mays L.) 是重要的粮食作物和工业原料，虫害是制约玉米产量的关键因素之一。玉米受到鳞翅目幼虫为害后, 叶片会释放一系列的萜类化合物吸引害虫的天敌，通过天敌来防御害虫，被称为间接防御，玉米萜类合成酶在玉米的间接防御中起到非常重要的作用。玉米萜类合成酶基因TPS10可以催化产生(E)-β-farnesene和 (E)-α-bergamotene。本项目通过对TPS10启动子进行缺失分析，证明在其翻译起始位点上游-300至-200为其活性发挥必需区段，其中的GCC-box为TPS10基因表达的一个关键元件，GCC-box在不同玉米自交系的TPS10启动子中是保守的。以TPS10启动子的-300至-200区域为诱饵序列, 酵母单杂交筛选拟南芥转录因子文库获得7个拟南芥AP2/ERF转录因子。通过系统进化树分析得到与7个拟南芥AP2/ERF转录因子进化关系较近的17个玉米ERF转录因子。qRT-PCR结果表明17个玉米ERF转录因子中只有EREB58受虫害和MeJA诱导表达, 并且它的表达模式和TPS10的非常类似。亚细胞定位结果显示EREB58特异定位在细胞核中。酵母单杂交实验, 凝胶阻滞实验结果表明EREB58能够与TPS10启动子中的GCC-box特异结合。拟南芥原生质体瞬时表达分析结果表明EREB58通过与GCC-box的结合激活基因的表达, 具有转录激活活性。转基因玉米中过表达EREB58能够激活TPS10基因的转录及其倍半萜化合物 (E)-β-farnesene和 (E)-α-bergamotene的释放。相比之下, 将EREB58通过RNAi敲除掉后在MeJA处理条件下TPS10基因不转录也无倍半萜化合物的释放。这表明在玉米中EREB58对于TPS10的诱导表达以及倍半萜挥发物的合成都是充分必要的。.以上实验结果表明, 玉米中EREB58通过与TPS10启动子中的顺式作用元件GCC-box结合, 激活TPS10基因的表达及其倍半萜化合物的释放, 阐明了玉米萜类合成酶基因TPS10的表达调控机制, 对于解析玉米防御体系的分子调控网络及培育抗虫玉米品种具有重要意义, 同时也为其他植物的防御体系的分子调控网络的研究提供新的思路。