鉴定并表征了参与菠菜（Spinacia oleracea L.）中昆虫蜕皮激素20-羟基蜕皮酮生物合成的环阿廷醇合酶基因的功能特性

《Physiology and Molecular Biology of Plants》：Identification and functional characterization of the cycloartenol synthase gene involved in the biosynthesis of the insect molting hormone 20-hydroxyecdysone from Spinacia oleracea L.

昆虫害虫导致农作物大幅减产，需发展可持续的抗虫策略。菠菜（S. oleracea）通过合成20-羟基蜕皮酮（20E）抵御虫害且有益健康，但其完整生物合成途径未知。本研究系统鉴定了菠菜中与20E合成相关的cycloartenol synthase（CAS）基因，发现4个新的oxidosqualene cyclase（OSC）基因并揭示其线粒体特异性基因重复和同源特征。RNA干扰沉默CAS基因后，LC-MS/MS检测到cycloartenol、lathosterol和20E分别下降7.93、9.45和7.77倍。而超表达优化后的CAS基因，在N. benthamiana和菠菜中分别使cycloartenol、lathosterol和20E增加30.37、20.08和21.09倍。该成果为解析20E生物合成新机制及培育抗虫作物提供了理论依据。

　　

摘要

昆虫害虫对多种作物的产量造成了严重损失。为了减轻昆虫压力对作物产量的不利影响，实施可持续的昆虫抗性策略至关重要。菠菜（Spinacia oleracea L.）是一种重要的叶类蔬菜，它能产生20-羟基蜕皮酮（20E），这种物质不仅可以抵御昆虫侵害，还对人类健康有益。虽然20E的详细结构已经明确，但其完整的生物合成途径仍不清楚。本研究对参与菠菜中20E生物合成的环阿魏醇合酶（cycloartenol synthase）进行了全面的基因组范围鉴定、系统发育分析及功能表征。对S. oleracea中四种新发现的氧化角鲨烯环化酶（oxidosqualene cyclases，简称OSCs）的系统发育分析表明，这些OSCs经历了谱系特异性的复制事件，并表现出明显的同源性关系。通过人工微RNA（amiRNA）介导的沉默实验发现，被沉默的S. oleracea中的cycloartenol synthase（SoCAS）表达水平降低。液相色谱-质谱（LC–MS/MS）分析显示，与非侵入对照组植物相比，相关代谢物的含量显著下降，其中环阿魏醇减少了7.93倍，lathosterol减少了9.45倍，20E减少了7.77倍。此外，过表达经过密码子优化的全长SoCAS基因后，在N. benthamiana中环阿魏醇的积累增加了30.37倍，环阿魏醇乙酸酯增加了6.49倍，campesterol增加了8.11倍；而在S. oleracea中，环阿魏醇增加了31.05倍，lathosterol增加了20.08倍，20E增加了21.09倍。这项研究为OSC在菠菜中环阿魏醇生成及20E生物合成途径中间体中的作用提供了新的见解，这些发现可用于培育抗食草昆虫的植物。