来源：Front Plant Sci | 编译：DNA Lab Space
植物育种界有个老难题：抗虫性上去了，产量往往掉下来。这个被称为“生长-防御权衡”的经典困境，长期制约着抗虫品种的培育。最近，一项发表在《Frontiers in Plant Science》上的研究带来了一丝破局的曙光——来自苹果抗蚜品种“新红星”的一个漆酶基因MdLac18，在本氏烟草中同时增强了抗蚜能力和生物量积累，让这对“老冤家”罕见地站在了同一边。
研究背景
蚜虫这类刺吸式口器害虫，每年给全球农业造成巨大损失。植物并非毫无防备，次生细胞壁中的木质素就是一道重要的物理屏障。然而，调控木质素合成的基因往往与生长相关基因存在此消彼长的关系，这让育种家们左右为难。
漆酶（laccase）是一类含铜氧化酶，在木质素聚合过程中扮演关键角色。此前的研究已表明，拟南芥中的AtLac17密切参与木质素生物合成。但能否找到一个漆酶基因，既强化木质素介导的防御，又不牺牲生长？本研究从抗蚜苹果品种“新红星”中克隆了MdLac18基因，并异源表达于本氏烟草，试图回答这个问题。
研究方法
植物材料与培养条件
无菌本氏烟草苗培养于室温24±2°C、相对湿度50±10%、光周期16:8（光:暗）的条件下。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%，光周期同样为16:8。用于繁殖蚜虫的烟草幼苗为土培本氏烟草实生苗。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。
基因克隆与生物信息学分析
从“新红星”苹果中克隆得到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功能结构域预测显示，该基因含有三个特征性功能结构域：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）构建系统发育树，自展值设为1000次重复。树中节点数字表示自展支持值，红色实心圆点标示本研究的苹果漆酶蛋白MdLac18，比例尺代表每位点0.1个氨基酸替换。结果显示，MdLac18与AtLac17聚在同一分支——而AtLac17已被证实密切参与拟南芥木质素生物合成。这提示MdLac18可能在苹果木质素合成调控中发挥保守作用。
遗传转化与转基因株系筛选
通过农杆菌介导的转化方法，将MdLac18异源表达于本氏烟草。原文摘要未详述具体转化流程、农杆菌菌株、载体构建细节及筛选标记，也未提供转基因株系的分子鉴定方法（如Southern blot、qRT-PCR等）的具体参数。转基因株系经筛选后用于后续抗虫性及农艺性状分析。
抗虫性测定
以桃蚜为供试昆虫，对转基因烟草进行抗虫性评价。接种后第8天，统计校正蚜虫死亡率与繁殖力。原文摘要未详述蚜虫接种密度、接虫方式、重复次数及统计方法的具体参数。
刺吸行为分析
采用刺吸电位图（Electrical Penetration Graph, EPG）技术记录蚜虫在转基因烟草上的取食行为。重点关注E1波（唾液分泌）和E2波（韧皮部取食）的持续时间变化。原文摘要未详述EPG记录时长、电极连接方式、信号采集系统型号及数据分析软件等具体参数。
生理生化指标测定
测定转基因株系的漆酶活性与木质素含量。原文摘要未详述酶活测定方法（如底物类型、反应体系、比色波长）、木质素含量测定方法（如Klason法、硫代乙醇酸法）及组织化学染色（如间苯三酚-HCl染色）的具体操作步骤和试剂浓度。
木质素单体组成分析
采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析木质素单体组成，重点关注G型木质素单体（松柏醇衍生物）的含量变化。原文摘要未详述样品制备、衍生化方法、色谱柱型号、升温程序及质谱检测参数。
农艺性状调查
在移栽后30–60天的营养生长早期，调查转基因烟草的株高、茎粗、生物量及开花时间。原文摘要未详述各性状的具体测量方法、样本量及统计模型。
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。信号肽切割位点预测位于第31–32位氨基酸（概率0.867）。三个特征性铜氧化酶结构域分别位于第37–153、168–316和429–566位氨基酸。系统发育分析表明，MdLac18与AtLac17紧密聚为一支。
抗虫性显著增强
转基因烟草对桃蚜表现出强劲抗性。接种后第8天，校正蚜虫死亡率达到43.99%，繁殖力下降55.13%。这两个数字放在一起看，意味着蚜虫种群在转基因植株上不仅“折兵”，还“断后”——死亡率和繁殖力双双受挫，种群扩张被有效遏制。
EPG揭示取食行为受阻
刺吸电位图分析揭示了抗虫机制的行为学基础。蚜虫在转基因烟草上的唾液分泌时间（E1波）延长，而韧皮部取食时间（E2波）缩短。E1波延长说明蚜虫需要更多时间分泌唾液来应对植物防御，E2波缩短则直接表明蚜虫从韧皮部获取营养的效率大打折扣。刺探路径受阻，取食效率下降，这从行为层面解释了抗虫性的来源。
木质素代谢被激活
MdLac18过表达使漆酶活性提高59.61%，木质素含量增加47.40%。组织化学分析显示维管组织木质化程度增强——防御屏障在物理层面得到了实实在在的加固。GC-MS分析进一步确认，G型木质素单体（松柏醇衍生物）含量增加了176%，表明MdLac18特异性促进了G型木质素的生物合成。G型木质素是维管植物木质部的主要组分，其含量提升直接增强了细胞壁的机械强度和抗降解能力。
打破权衡：农艺性状不降反升
最引人注目的结果出现在农艺性状上。与典型防御基因不同，MdLac18过表达并未以牺牲生长为代价。相反，转基因烟草在移栽后30–60天的营养生长早期表现出株高增加、茎粗增大、生物量提升，并且开花时间提前。木质素合成与生长促进同时发生，这在以往的研究中并不多见。
讨论与展望
MdLac18的特殊之处在于，它把“防御”和“生长”两件事同时办成了。传统观点认为，木质素合成与生长存在资源竞争，但本研究显示，MdLac18可能通过某种尚未阐明的调控机制，在强化木质素屏障的同时促进了植株的生长发育。
一个可能的解释是：MdLac18介导的木质素沉积不仅增强了抗虫物理屏障，还改善了维管组织的运输效率——更结实的导管和筛管意味着更高效的水分和养分运输，这反过来支撑了地上部的生长。当然，这只是基于现有结果的合理推测，原文并未提供直接的生理学证据。
另一个值得注意的细节是，MdLac18与AtLac17的紧密进化关系。AtLac17在拟南芥木质素生物合成中的功能已被证实，这为MdLac18在苹果中的同源功能提供了间接支持。但苹果中的内源验证仍需开展，毕竟异源表达于烟草的结果不能完全等同于苹果中的表现。
该研究将MdLac18定位为一种稀有的遗传资源——在受控的亚优条件下，它通过发挥胁迫调控功能并增强植物对逆境的适应性，展现了解耦“生长-防御”权衡的潜力。对育种实践而言，这意味着或许可以借助这一基因，培育出既抗蚜又高产的作物品种。当然，从模式植物到田间作物，还有很长的路要走。
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.
PMID: 42058851