来源：Front Plant Sci | 编译：DNA Lab Space
刺吸式害虫每年造成全球农作物产量损失高达数十亿美元，而植物在进化中形成的防御机制往往以牺牲生长为代价。这一“生长-防御权衡”难题长期困扰育种学家——抗虫品种通常长势弱、产量低，高产优质品种又容易遭受虫害。近日，一项发表于《Frontiers in Plant Science》的研究从抗蚜苹果品种“新红星”中克隆出漆酶基因MdLac18，将其异源表达于本氏烟草后发现，该基因不仅能显著增强对桃蚜的抗性，还意外地促进了植株生长和生物量积累。这一发现为打破抗虫性与农艺性状之间的负相关性提供了罕见的遗传资源。
研究背景
木质素是植物次生细胞壁的核心组分，作为物理屏障在抵御害虫入侵中发挥关键作用。当蚜虫口针刺入植物组织时，木质化程度高的维管束组织能有效阻碍口针穿透，降低取食效率。然而，木质素的合成与积累需要消耗大量碳资源和能量，往往与植物快速生长形成竞争关系。此前报道的多数防御相关基因在增强抗虫性的同时会抑制植株生长，导致“按下葫芦浮起瓢”的困境。
漆酶（laccase）是一类含铜多酚氧化酶，在木质素聚合过程中催化 monolignol 的氧化偶联。尽管漆酶基因家族在多种植物中已被鉴定，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。苹果作为多年生木本植物，其漆酶基因是否能在草本模式植物中发挥类似功能，此前缺乏系统性研究。该研究正是从这一缺口出发，探索MdLac18在跨物种表达后的功能表现。
研究方法
植物材料与培养条件
研究者以本氏烟草（Nicotiana benthamiana）为异源表达受体。无菌烟草苗在温度24±2°C、相对湿度50±10%、光周期16小时光照/8小时黑暗的条件下培养。供试桃蚜（Myzus persicae）饲养于智能人工气候箱中，温度25±2°C、相对湿度60±10%、光周期16:8，以土培烟草苗作为繁殖寄主。实验用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。
基因克隆与载体构建
从抗蚜苹果品种“新红星”中克隆MdLac18基因（GenBank登录号：PV341664）。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64.418 kDa。氨基酸序列分析表明MdLac18含有一个信号肽结构，预测切割位点位于第31-32位氨基酸之间（预测概率0.867）。CD-search功能域预测显示该基因含有三个特征性功能域：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）。
系统发育分析
研究者将MdLac18与拟南芥17个漆酶基因构建系统发育树，采用邻接法（Neighbor-Joining）进行1000次bootstrap重复检验。结果显示MdLac18与AtLac17聚在同一分支——AtLac17已被证实参与拟南芥木质素生物合成（Berthet et al., 2011）。这一进化关系提示MdLac18可能保守地调控苹果木质素合成。
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草。转化后经筛选获得多个转基因株系，后续实验选取表达量适中的株系进行表型分析和抗虫性鉴定。原文摘要未详述农杆菌菌株类型、侵染浓度、共培养时间及筛选抗生素浓度等具体参数。
蚜虫抗性生物测定
采用人工接虫法评价转基因烟草对桃蚜的抗性。每株接虫后第8天统计蚜虫校正死亡率和产蚜量。校正死亡率计算综合考虑了对照组自然死亡的影响。
刺探电位图谱（EPG）分析
使用直流EPG系统记录蚜虫口针刺探行为。分析指标包括E1波（唾液分泌期）持续时间和E2波（韧皮部取食期）持续时间。E1波延长说明蚜虫分泌唾液受阻，E2波缩短反映韧皮部取食困难。
漆酶活性与木质素含量测定
取转基因和野生型烟草茎段，分别测定漆酶活性和木质素含量。漆酶活性以单位蛋白催化底物氧化的速率表示，木质素含量采用Klason法或硫代乙酰酸法测定（原文摘要未详述具体测定方法）。木质素组织化学染色用于观察维管束组织木质化程度。
GC-MS木质素单体分析
采用气相色谱-质谱联用技术分析木质素单体组成。通过硫代乙酰酸降解或衍生化处理，定量检测G型木质素单体（松柏醇衍生物）的相对含量变化。
农艺性状调查
在移栽后30-60天（营养生长早期），定期测量植株高度、茎粗、生物量，并记录开花时间。每个指标至少重复测量3次以上，数据以平均值±标准误表示。
研究结果
MdLac18显著增强烟草对桃蚜的抗性
转基因烟草株系在接虫后第8天表现出显著的抗蚜效果：蚜虫校正死亡率达到43.99%，产蚜量下降55.13%。这一数据表明MdLac18的表达不仅直接毒杀或排斥蚜虫，还明显抑制了蚜虫的繁殖能力。抗虫效果并非瞬时反应，而是在整个测定周期内持续存在。
EPG分析揭示抗蚜机制
电生理记录显示，取食转基因烟草的蚜虫唾液分泌期（E1波）显著延长，而韧皮部取食期（E2波）明显缩短。这一行为学证据表明蚜虫口针在刺探过程中遇到物理阻碍——木质素强化后的细胞壁使得口针难以顺利穿透到达韧皮部。E1波延长反映蚜虫反复尝试分泌唾液以克服障碍，E2波缩短则说明其最终无法正常吸取韧皮部汁液。这种“刺探受阻-取食失败”的模式，直接解释了蚜虫死亡率上升和繁殖力下降的生理基础。
木质素代谢途径被特异性激活
生化测定结果显示，MdLac18过表达株系的漆酶活性较野生型提高59.61%，木质素含量增加47.40%。组织化学染色进一步证实维管束组织区域木质化程度显著增强——这正是蚜虫口针需要穿透的关键部位。
GC-MS分析揭示了更为精细的调控机制：G型木质素单体（松柏醇衍生物）含量增加了176%。这一数据表明MdLac18并非笼统地促进所有木质素单体合成，而是特异性驱动G型木质素生物合成途径。G型木质素是维管植物木质素的主要组分，其含量增加直接强化了细胞壁的机械强度和抗降解能力。
打破生长-防御权衡的意外发现
与经典理论预测相反，MdLac18过表达并未抑制烟草生长。转基因株系在营养生长早期（移栽后30-60天）表现出株高增加、茎粗增大、生物量积累增多，并提前开花。这一表型特征在已报道的防御相关基因中极为罕见——多数抗虫基因的过表达往往伴随矮化、晚花或产量下降等代价。
研究者认为，MdLac18可能通过优化木质素合成途径的碳流分配，在增强防御的同时避免了对初级代谢的过度消耗。G型木质素的特异性增加而非总木质素无差别积累，或许是实现“鱼与熊掌兼得”的关键——这种精细调控避免了非特异性木质化对生长资源的过度占用。
讨论与展望
MdLac18的发现为作物抗虫育种提供了新思路，但若干关键问题仍有待解答。该基因在苹果中天然调控木质素合成，异源表达于烟草后功能得以保留，说明其作用机制在物种间相对保守。然而，木质素含量增加47.40%是否会影响烟草的机械加工性能或饲料适口性，原文摘要未提供相关数据。此外，温室条件下观察到的促生长效应能否在田间复杂环境中重现，也需要进一步验证。研究者指出，在受控亚优条件下MdLac18具有解偶联生长-防御权衡的潜力——这一限定语暗示其促生长效应可能依赖特定环境条件。未来研究可聚焦于MdLac18在作物（如大豆、棉花）中的同源基因功能验证，以及其与上游转录因子的调控网络解析。该基因已提交NCBI数据库（PV341664），为后续功能研究提供了便利。
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