来源：Front Plant Sci | 编译：DNA Lab Space
刺吸式害虫每年给全球农业造成数百亿美元损失，而传统抗虫育种常陷入一个两难困境——抗性增强往往以牺牲生长为代价。这个被称为“生长-防御权衡”的经典难题，长期困扰着植物育种学家。近日，一项发表于《Frontiers in Plant Science》的研究从抗蚜苹果品种‘Starkrimson’中克隆出一个漆酶基因MdLac18，并将其异源表达于本氏烟中，意外发现该基因能同时提升抗蚜能力与农艺性状。这一发现为打破生长与防御之间的跷跷板效应提供了全新的遗传资源。
研究背景
木质素是植物次生细胞壁的核心组分，充当抵御害虫入侵的物理屏障。然而，调控木质素合成的基因通常与植物生长存在负相关。植物在进化中形成了复杂的调控网络：防御激活时，资源被重新分配用于合成防御物质，导致生长减缓。这种权衡机制虽然有利于物种生存，却严重制约了作物产量潜力的发挥。
此前研究已在拟南芥中发现AtLac17参与木质素生物合成，但能够同时强化木质素介导的防御并促进植物生长的遗传调控因子极为罕见。苹果漆酶基因MdLac18的发现，正是在这一背景下展开。研究者从抗蚜苹果品种‘Starkrimson’中克隆该基因，并通过农杆菌介导的遗传转化在本氏烟中异源表达，系统评估其对桃蚜的抗性效应及对烟草农艺性状的影响。
研究方法
植物材料与培养条件：无菌本氏烟（Nicotiana benthamiana）植株培养于温度24±2°C、相对湿度50±10%、光周期16:8（光照:黑暗）的环境中。供试桃蚜（Myzus persicae）在智能人工气候箱中饲养，条件为相对湿度60±10%、光周期16:8、温度25±2°C，以土培烟草幼苗作为繁殖寄主。银胶由河南农业大学植物保护学院化学生态研究所惠赠，其他常规试剂购自科尚生物有限公司。
基因克隆与序列分析：研究者从‘Starkrimson’苹果中克隆MdLac18基因。测序结果显示该基因全长1752 bp，编码583个氨基酸，预测分子量为64.418 kDa。氨基酸序列分析表明MdLac18含有信号肽结构，预测切割位点位于第31–32位氨基酸（预测概率0.867）。CD-search功能域预测显示该基因包含三个特征性功能域：CuRO_1_LCC_plant（第37–153位）、CuRO_2_LCC_plant（第168–316位）和CuRO_3_LCC_plant（第429–566位）。基因序列已提交至NCBI数据库，登录号为PV341664。
系统进化分析：采用邻接法（Neighbor-Joining）构建系统进化树，自展值设为1000次重复。进化树显示MdLac18与拟南芥AtLac17聚类于同一分支（
）。此前研究已证实AtLac17密切参与拟南芥木质素生物合成（Berthet et al., 2011）。MdLac18与AtLac17紧密的进化关系提示该基因可能在苹果木质素合成调控中发挥保守功能。
遗传转化与转基因株系筛选：通过农杆菌介导的遗传转化方法，将MdLac18基因异源表达于本氏烟中。原文摘要未详述具体转化载体构建细节、农杆菌菌株类型及筛选标记基因等具体参数。转基因株系经分子鉴定后用于后续功能分析。
蚜虫抗性生物测定：转基因烟草株系接种桃蚜后，于接种后第8天统计校正蚜虫死亡率与繁殖力变化。刺探电位图谱（EPG）分析用于监测蚜虫口针刺探行为，重点关注E1波（唾液分泌期）和E2波（韧皮部取食期）的持续时间变化。
生理生化指标测定：分别测定转基因株系与对照株系的漆酶活性、木质素含量。采用GC-MS分析木质素单体组成，重点检测G型木质素单体（松柏醇衍生物）的含量变化。组织化学染色用于观察维管组织木质化程度。
农艺性状评估：在移栽后30–60天的营养生长早期阶段，测量植株高度、茎粗、生物量及开花时间等农艺指标。
研究结果
基因特征与进化地位：MdLac18基因全长1752 bp，编码583个氨基酸，预测分子量64.418 kDa。信号肽预测切割位点位于第31–32位氨基酸（预测概率0.867）。功能域分析确认该基因含三个漆酶特征性CuRO结构域，与典型植物漆酶基因结构一致。系统进化分析将MdLac18与AtLac17聚类于同一分支，两者共享较近的进化祖先，暗示功能上的保守性。这一进化位置为后续功能验证提供了重要线索——AtLac17已被证实参与木质素聚合过程，MdLac18很可能扮演相似角色。
抗蚜效果显著：转基因烟草株系对桃蚜表现出强烈抗性。接种后第8天，校正蚜虫死亡率达到43.99%，繁殖力下降55.13%。这些数据表明MdLac18不仅能直接毒杀蚜虫，还能显著抑制其种群扩增。值得注意的是，抗虫效果并非通过典型的杀虫蛋白实现，而是通过改变植物组织物理特性来阻碍蚜虫取食。
EPG揭示取食行为受阻：刺探电位图谱分析提供了机制层面的证据。蚜虫在转基因植株上的唾液分泌期（E1波）显著延长，而韧皮部取食期（E2波）明显缩短。这一行为变化直接反映了蚜虫口针穿透受阻——植物组织中的木质素沉积形成了物理屏障，使蚜虫难以到达韧皮部获取营养。E1波延长意味着蚜虫反复尝试分泌唾液以克服障碍，E2波缩短则表明实际取食效率大幅下降。
木质素代谢强化：MdLac18过表达使漆酶活性提高59.61%，木质素含量增加47.40%。组织化学染色显示维管组织木质化程度显著增强，表明增加的木质素并非均匀分布于整个植株，而是优先沉积在维管束区域——这正是蚜虫口针穿刺的主要路径。GC-MS分析进一步揭示木质素单体组成的特异性变化：G型木质素单体（松柏醇衍生物）含量增加176%。这一结果具有重要生物学意义——G型木质素是维管组织机械强度的主要贡献者，其特异性增加意味着植物在增强防御的同时，并未牺牲茎秆的支撑性能。
打破生长-防御权衡：与典型防御基因不同，MdLac18转基因烟草表现出双重复利效应。在移栽后30–60天的营养生长早期阶段，转基因株系的株高、茎粗和生物量均显著优于对照，同时开花时间提前。这意味着MdLac18在激活防御反应的同时，并未触发资源重新分配导致的生长抑制。相反，木质素合成增强可能通过强化维管组织，改善了水分和营养物质的运输效率，从而间接促进植株生长（
）。
综合效应评估：从数据链条来看，MdLac18的作用机制清晰而精妙——它通过特异性促进G型木质素单体合成，增强维管组织木质化，形成物理屏障阻断蚜虫取食；同时，维管组织的强化改善了植株的整体生理状态，支持了更好的营养生长（
）。这种“防御增强-生长促进”的双赢模式，在已报道的植物防御基因中极为罕见。
讨论与展望
MdLac18的发现为理解植物生长-防御权衡的分子机制提供了全新视角。传统观点认为，木质素合成与植物生长之间存在资源竞争，而本研究数据表明，当木质素合成被精准调控至特定组织（维管束）并偏向特定单体类型（G型）时，这种竞争关系可以被转化为协同关系。
一个值得深思的问题是：MdLac18在苹果中天然发挥何种功能？异源表达于本氏烟中即能产生如此显著的表型效应，暗示该基因的调控网络在茄科植物中高度保守。未来若能在作物（如大豆、棉花）中验证这一效应，或将为培育兼具抗虫性与高产性的新品种开辟新路径。
该研究选择以本氏烟作为异源表达受体，可能与其遗传转化效率高、生长周期短等实验便利性有关。但苹果与烟草间的系统发育距离较远，MdLac18在苹果自身背景下的功能是否完全一致，仍有待同源转化实验验证。此外，田间复杂环境下的抗虫持久性、对不同刺吸式害虫的广谱抗性等关键问题，也需进一步评估。
参考来源
Li J, Cui M, Teng Z, Chen F, Fan Y. The laccase gene MdLac18 decouples the growth-defense trade-off by orchestrating lignification to enhance aphid resistance and biomass accumulation in Nicotiana benthamiana. Frontiers in Plant Science. PMID: 42058851.
PMID: 42058851