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高达数十亿美元，而传统抗虫育种往往陷入一个两难困境——抗性提升了，产量却下来了。这个被称为"生长-防御权衡"的经典难题，长期困扰着植物科学界。近日，一项发表在《Frontiers in Plant Science》上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草。结果出人意料：转基因植株不仅对桃蚜表现出强烈抗性，生物量和株高反而同步提升。木质素这一古老的物理屏障，在这项研究中展现出打破生长与防御对立关系的潜力。
研究背景
植物在与害虫的长期博弈中演化出多层防御体系，其中木质素沉积于次生细胞壁，形成一道坚硬的物理屏障，能有效阻碍蚜虫口针穿刺和取食。然而，木质素的过量合成往往意味着碳资源的重新分配——用于防御的资源多了，用于生长的就少了。这正是"生长-防御权衡"假说的核心逻辑。
过去二十年，科学家鉴定出大量参与木质素合成的酶基因，但绝大多数研究聚焦于它们在抗病抗虫中的功能，鲜有报道称某个基因能同时增强木质素介导的防御并促进植物生长。苹果中的漆酶基因家族成员众多，其中MdLac18与拟南芥中已知参与木质素合成的AtLac17聚在同一进化分支，这引起了研究者的注意。AtLac17在拟南芥维管组织木质化中扮演关键角色，那么苹果中的这个同源基因，是否也能调控木质素合成，并绕开生长与防御的此消彼长？
研究方法
植物材料与培养条件：无菌本氏烟草（Nicotiana benthamiana）幼苗培养于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）饲养于智能人工气候箱内，温度25±2°C、相对湿度60±10%、光周期16:8，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，其余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：研究者从抗蚜苹果品种'Starkrimson'中克隆出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），设置1000次bootstrap重复，构建了MdLac18与17个拟南芥漆酶基因的进化树。结果显示MdLac18与AtLac17聚于同一进化分支——此前研究已证实AtLac17密切参与拟南芥木质素生物合成。这种紧密的进化关系提示MdLac18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：通过农杆菌介导的转化方法，将MdLac18异源表达于本氏烟草。转基因株系经筛选获得纯合后代用于后续实验。原文摘要未详述农杆菌菌株、载体构建、筛选标记浓度及转化具体操作步骤。
蚜虫抗性生物测定：采用离体叶碟法或整株接种法（原文摘要未明确具体接种方式）评估转基因烟草对桃蚜的抗性。接种后第8天统计蚜虫校正死亡率与繁殖力。校正死亡率计算公式为：（处理组死亡率-对照组死亡率）/（1-对照组死亡率）×100%。繁殖力以降蚜量或单头蚜虫产仔数表示。
刺吸行为电信号监测：利用刺吸电位图（Electrical Penetration Graph, EPG）技术记录蚜虫口针在植物组织内的穿刺行为。EPG波形中，E1波代表唾液分泌期，E2波代表韧皮部取食期。通过对比转基因与野生型植株上蚜虫的E1、E2波持续时间，判断MdLac18表达对蚜虫取食行为的干扰程度。
漆酶活性与木质素含量测定：漆酶活性以单位质量蛋白催化底物氧化的速率表示，木质素含量采用经典的硫代乙醇酸法或Klason法测定（原文摘要未详述具体测定试剂盒或比色波长）。维管组织木质化程度通过组织化学染色（如间苯三酚-盐酸染色）结合显微观察评估。
木质素单体组分分析：采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术定量分析木质素单体组成。样品经细胞壁分离、硫代乙醇酸解或硝基苯氧化处理后，检测G型（愈创木基）、S型（紫丁香基）和H型（对羟基苯基）木质素单体的相对含量。原文摘要特别报道了G型木质素单体（松柏醇衍生物）的变化。
农艺性状考察：记录转基因与野生型烟草在移栽后30-60天（营养生长早期）的株高、茎粗、生物量及开花时间。原文摘要未详述样本量、测量工具精度及统计分析方法。
研究结果
MdLac18过表达显著增强蚜虫抗性：接种桃蚜后第8天，转基因烟草上的蚜虫校正死亡率达到43.99%，繁殖力下降55.13%。这两个数字意味着什么？将近一半的蚜虫死亡，存活者的后代数量削减过半——这种抗性水平在异源表达体系中已属相当可观。
EPG揭示蚜虫取食行为受阻：刺吸电位图分析显示，在转基因植株上取食的蚜虫唾液分泌期（E1波）显著延长，而韧皮部取食期（E2波）明显缩短。唾液分泌延长说明蚜虫反复试探却难以顺利取食，韧皮部取食缩短则直接反映口针穿刺效率下降。木质素加固的细胞壁，像一道难以穿透的屏障，扰乱了蚜虫正常的取食节律。
木质素含量与漆酶活性同步提升：MdLac18过表达使漆酶活性提高59.61%，木质素含量增加47.40%。组织化学染色进一步显示转基因植株维管组织木质化程度增强——这不是简单的总量增加，而是特定组织部位的定向强化。维管束是蚜虫口针穿刺的主要目标区域，此处木质素增厚，防御效果自然事半功倍。
G型木质素特异性积累：GC-MS分析确认转基因植株中G型木质素单体（松柏醇衍生物）含量较野生型增加176%。木质素单体主要有G、S、H三种类型，不同单体比例影响细胞壁的致密程度和降解抗性。G型木质素占比升高，意味着细胞壁结构更加紧实，这或许解释了为何蚜虫口针难以有效穿刺。
农艺性状不降反升：与经典"生长-防御权衡"预测相反，转基因烟草在移栽后30-60天（营养生长早期）表现出株高增加、茎干增粗、生物量累积提升，并提前开花。这一结果出人意料——通常抗虫性的提升以牺牲生长为代价，而MdLac18却同时增强了防御与生长。研究者认为，这可能与该基因在调控木质素合成的同时，还影响了植物对逆境的适应性调节有关。
讨论与展望
MdLac18的独特之处在于，它打破了"防御增强必然伴随生长减缓"的传统认知。这种解耦效应的机制尚不完全清楚，但研究者推测可能与该基因在特定时空的表达模式有关——在维管组织定向促进木质素合成，而非全局性过量累积，从而避免了资源过度消耗。
该研究选择苹果漆酶基因并在烟草中异源验证，策略务实且高效。苹果生长周期长，直接进行同源转化耗时数年；烟草作为模式植物，转化体系成熟、生长迅速，能在短时间内验证基因功能。当然，异源表达的结果能否在苹果或其他作物中复现，仍需进一步的同源转化实验验证。
从应用角度看，MdLac18为培育兼具抗蚜性和优良农艺性状的作物提供了新的基因资源。尤其对于蚜虫危害严重的经济作物，这一基因可能具有直接的育种价值。但需要注意的是，本研究的抗虫数据来自温室可控条件下的离体或盆栽实验，田间复杂环境下的实际防效尚待检验。
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, 2025. PMID: 42058851.
PMID: 42058851