来源：Front Plant Sci | 编译：DNA Lab Space
蚜虫等刺吸式口器害虫每年造成全球作物产量损失巨大，而传统抗虫育种常陷入一个两难困境：抗虫性提升了，产量却下来了。这种被植物学界称为“生长-防御权衡”的现象，长期制约着作物改良的进程。木质素作为植物次生细胞壁的核心组分，本是抵御害虫入侵的天然物理屏障，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，此前鲜有报道。近日，一篇发表于《Frontiers in Plant Science》的研究从抗蚜苹果品种‘Starkrimson’中克隆出漆酶基因MdLac18，并将其异源表达于本氏烟中，结果令人意外——转基因烟草不仅对桃蚜表现出强劲抗性，株高、茎粗、生物量和开花时间等农艺性状也同步改善。这一“双赢”结果，为打破生长-防御权衡提供了新的遗传资源。
研究背景
植物在长期演化中形成了多层防御体系，其中木质素扮演着“城墙”角色。它沉积于次生细胞壁，既提供机械支撑，又构成害虫口针刺探的物理障碍。然而，木质素的合成与积累需要投入大量碳资源和能量，这些资源本可用于生长。因此，植物往往面临“鱼与熊掌”的选择：要么强化防御而牺牲生长，要么促进生长而削弱防御。这一权衡机制在育种实践中尤为棘手——高抗品种往往农艺性状不佳，优质品种又常对害虫敏感。
漆酶（laccase）是一类含铜的多酚氧化酶，在木质素聚合过程中催化酚类单体的氧化偶联。尽管漆酶基因家族庞大，但能同时影响防御与生长的成员极为罕见。苹果中的漆酶基因研究相对薄弱，尤其是与抗蚜性状相关的漆酶基因，此前几乎空白。本研究瞄准这一缺口，从抗蚜苹果品种中筛选候选漆酶基因，并系统评估其在异源植物中的功能表现。
研究方法
植物材料与培养条件。 无菌本氏烟（Nicotiana benthamiana）植株培养于室温24±2°C、相对湿度50±10%、光周期16:8（光照:黑暗）的条件下。供试桃蚜（Myzus persicae）饲养于人工气候箱中，温度25±2°C，相对湿度60±10%，光周期同样为16:8，以土培烟草幼苗作为蚜虫繁殖寄主。银胶由河南农业大学植物保护学院化学生态研究所惠赠，其余常规试剂购自科尚生物有限公司。
基因克隆与序列分析。 从抗蚜苹果品种‘Starkrimson’中克隆获得MdLac18基因全长序列。测序结果显示该基因长度为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）。基因序列已提交至NCBI数据库，登录号为PV341664。系统发育分析采用邻接法（Neighbor-Joining），1000次bootstrap重复，结果显示MdLac18与拟南芥AtLac17聚于同一分支——已有研究证实AtLac17密切参与拟南芥木质素生物合成（Berthet et al., 2011）。
遗传转化与转基因株系筛选。 通过农杆菌介导的转化法，将MdLac18异源表达于本氏烟中。原文摘要未详述农杆菌菌株、载体构建细节及转化筛选标记等具体参数，但明确提及转化方法为农杆菌介导。转基因株系经筛选后用于后续表型与抗虫性分析。
抗虫性测定。 采用人工接虫法评估转基因烟草对桃蚜的抗性。在接种后第8天，统计蚜虫校正死亡率与繁殖力变化。刺探行为分析采用刺吸电位图谱（Electrical Penetration Graph, EPG）技术，记录蚜虫口针刺探过程中的波形变化，重点分析E1波（唾液分泌）和E2波（韧皮部取食）的持续时间。
生理生化指标测定。 测定转基因株系与野生型对照的漆酶活性与木质素含量。木质素单体组成分析采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，定量检测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，测量转基因烟草与野生型的株高、茎粗、生物量，并记录开花时间。
统计分析。 原文摘要未详述具体统计方法、样本量与重复次数，但所有定量数据均以百分比或倍数变化形式呈现，并标注了处理组与对照组的差异。
研究结果
基因特征与进化位置。 MdLac18基因全长1752 bp，编码583个氨基酸，预测分子量64.418 kDa。信号肽切割位点位于第31–32位氨基酸（预测概率0.867），表明该蛋白可能被分泌至胞外或靶向特定亚细胞区域。三个典型漆酶功能域的存在，确认了其作为铜结合漆酶蛋白的属性。系统发育树中，MdLac18与AtLac17紧密聚类，而AtLac17已被证实参与拟南芥木质素合成，这暗示MdLac18在苹果中可能执行相似的保守功能。
抗虫性显著增强。 转基因本氏烟对桃蚜表现出强烈抗性。接种后第8天，蚜虫校正死亡率达到43.99%，繁殖力下降55.13%。这两个数值说明，MdLac18的表达不仅直接杀伤蚜虫，更严重抑制了蚜虫的种群增殖能力。
EPG揭示取食行为受阻。 刺吸电位图谱分析为抗虫机制提供了行为学证据。在转基因植株上取食的蚜虫，其E1波（唾液分泌）持续时间显著延长，而E2波（韧皮部取食）持续时间明显缩短。这一波形变化模式表明，蚜虫口针在刺探过程中遇到阻碍，无法顺利到达韧皮部进行持续取食。木质素强化后的细胞壁，可能像“加固的城墙”一样，延缓了口针的穿刺进程。
木质素含量与漆酶活性同步提升。 与野生型相比，MdLac18过表达株系的漆酶活性提高了59.61%，木质素含量增加了47.40%。组织化学染色进一步显示，转基因植株维管组织的木质化程度明显增强。这些数据共同指向一个结论：MdLac18通过提升漆酶活性，促进了木质素在维管系统中的沉积。
G型木质素特异性增加。 GC-MS分析揭示了一个值得关注的细节：转基因植株中G型木质素单体（松柏醇衍生物）含量增加了176%。这一增幅远超总木质素的提升幅度，说明MdLac18并非笼统地促进所有木质素单体合成，而是对G型单体具有明显的偏好性。G型木质素是维管植物木质素的主要组分，其含量增加可能更有效地强化细胞壁的物理屏障功能。
农艺性状意外改善。 与传统抗虫基因不同，MdLac18的表达并未以牺牲生长为代价。相反，转基因烟草在营养生长早期（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。这些性状的改善在多个独立转基因株系中均能观察到，排除了插入位置效应等偶然因素。
讨论与展望
MdLac18的特殊之处在于，它打破了“抗虫必减产”的魔咒。以往报道的多数抗虫基因，往往通过激活茉莉酸或水杨酸信号通路来增强防御，这些通路常与生长激素信号存在拮抗关系。而MdLac18直接作用于木质素合成这一代谢节点，通过强化物理屏障来抵御蚜虫，避开了激素信号通路之间的交叉抑制。G型木质素的特异性增加尤为耐人寻味——不同单体类型的木质素在细胞壁中的交联方式和物理性质存在差异，G型木质素的富集可能以更低的代谢成本实现了更有效的防御。
该研究选择异源表达于本氏烟而非苹果同源系统，可能与其快速生长周期和成熟的遗传转化体系有关，便于在短时间内评估基因功能。不过，MdLac18在苹果中的天然功能是否与烟草中表现一致，仍需回补实验验证。此外，本研究中的农艺性状改善发生在“受控亚优条件”下，田间复杂环境中的表现尚待检验。
这项工作的价值在于提供了一个罕见的遗传资源——一个同时增强抗虫性与生长性能的漆酶基因。未来若能解析MdLac18调控木质素单体配比的具体分子机制，并明确其是否受上游转录因子或环境信号的调控，将有望为培育“既抗虫又高产”的作物品种开辟新路径。
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. Front Plant Sci. PMID: 42058851. DOI: 未提供（以PMID为准）。
PMID: 42058851