《倍半萜植保素生物合成与RNA干扰抗虫研究》

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项目属生物学(植物生理学、分子遗传学)和生物工程(基因工程)学科,植物分子生物学和农业生物技术领域,与农业和生态环境密切相关。次生代谢物在植物抵御病原微生物和植食性动物(及昆虫)的防御反应中起重要作用。在长期协同进化过程中,昆虫与植物形成了复杂的互利互作和攻防关系。项目以棉花-棉铃虫为主要模式,研究次生代谢和昆虫适应机制,发明发展新一代抗虫技术,取得了一系列具有国际先进水平的研究成果。

科学发现一:萜类生物合成及调控研究。棉酚等倍半萜醛类化合物具有广谱毒性,能抑制昆虫生长,但限制棉籽的利用。项目组系统研究棉酚生物合成途径,先后克隆鉴定了法尼基二磷酸合酶(FPS)、杜松烯合酶(CAD)和杜松烯羟化酶(CYP706B1),催化三步连续的反应。棉籽富含油脂和蛋白质,利用种子特异启动子表达CYP706B1基因的双链RNA,创制了种子低酚、植株棉酚含量正常的转基因棉花新种质,提供育种单位培育。发现分泌型漆酶参与棉酚合成,通过基因工程使植物的根分泌漆酶,可转化土壤中酚类污染物,Nature Biotechnology发表短评称之为“脱毒分泌物”。

植物次生代谢受各种因于的精确调控,项目组解析了环境因子、防御激素茉莉素和生长发育信号共同调控次生代谢的分子机理。分离了植物中首个调控倍半萜合成的转录因无GaWRKYl,以及调控抗疟药物倍半萜内脂青蒿素合成的ERF类转录因子。发现赤霉素和茉莉素通过转录因子MYC2共同调控倍半萜的合成与释放,揭示了植物生长发育和环境因子协同调控次生代谢的新模式。

科学发现二:植物-昆虫互作与植物抗虫新技术。次生代谢产物抑制昆虫生长,但昆虫不仅仅是被动解毒。项目组发现棉酚既抑制棉铃虫生长又诱导解毒酶基因表达,导致幼虫解毒能力提高,进而提出可诱导的解毐酶基因是害虫抗药性发展的重要分子基础。项目组以棉铃虫基因为靶标,发明了植物介导的RNA干扰抗虫技术,即在植物中表达昆虫基因的双链RNA,千扰前来取食的昆虫的基因表达进而抑制其生长。论文于2007年以封面形式在Nature Biotechnology发表。该技术为开发新一代安全有效的转基因抗虫植物(如抗虫棉)奠定了基础,Nature发表评论称之为“简便抗虫新方法”。继化学、蛋白质(BT)杀虫剂之后,核酸技术(RNA干扰)的发明与应用是害虫控制领域的重大突破。

项目取得了系统性重大成果:解析了棉酚等萜类生物合成途径,提出了次生代谢物诱导昆虫农药抗性发展的新观点,发明了植物介导的RNA干扰抗虫技术,为研制新一代抗虫作物开创先河,也为植食性昆虫基因功能研究提供了新方法。发表核心论文40篇,包括SCI论文35篇,获国内外发明专利授权17项。8篇SCI代表性论文合计影响因子121.67,他引1298次,其中SCI他引1055次,单篇最高SCI他引438次。2017年获上海市自然科学奖一等奖。成果促进了我国植物代谢等学科的发展,带动了新一代抗虫作物的研制,取得了重要的国际影响和学术地位。

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