薰衣草DXR基因在轉基因煙草中的功能分析

王振昱，蘇秀娟

（1.新疆農業大學農學院，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830000；2.新疆作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830000）

薰衣草（LavandulaangustifoliaM.）為多年生的亞灌木，是一種觀賞價值較高的天然香料植物，具有濃郁的芳香氣味[1]。由薰衣草花穗提煉而獲得的植物精油是一種揮發性精油，其主要成分為芳樟醇等萜類化合物[2]。萜類化合物合成途徑包括6個酶反應步驟組成的甲羥戊酸途徑（MVA）和7 個酶反應步驟組成的甲基赤蘚糖醇磷酸途徑（MEP），其中MVA 途徑主要合成倍半萜和三萜，而MEP 途徑參與合成單萜和二萜等次生代謝產物[3]。DXR為MEP 途徑中第二步催化反應的關鍵酶，催化DXP轉化為MEP，是調控植物萜類物質生物合成的有效靶點。

DXR基因在多種植物中被克隆并分離出來，隨著研究的深入，DXR基因的功能及調控機制也越來越明確。過表達藍藻DXR基因能夠引起轉基因煙草中葉綠素a、β-谷甾醇增加[4]；過表達DXR基因的薄荷葉片中的揮發油含量對比野生型植株提高了50%[5]。因此，通過基因工程技術手段增加萜類合成酶基因的表達量，是提高植物萜類化合物產量的有效途徑。本研究通過農桿菌介導法獲得了轉DXR基因的煙草植株，采用熒光定量技術確定了其在不同轉基因植株中的表達量，利用GC-MS技術測定了轉基因植株葉片中萜類揮發物的含量情況，初步明確了薰衣草DXR基因的功能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以普通煙草（NicotianatabacumL.）為材料。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙草葉片侵染

將含有pCAMBIA3301-DXR質粒的農桿菌菌液在添加50 mg/mL 卡那霉素和利福平的YEB 培養液中28 ℃、220 r/min培養24 h后，接入新鮮YEB培養液繼續培養至菌液OD 值為1.0～1.2，4 000 r/min 離心10 min，MS 液體培養基重懸菌液OD 值為0.6～0.8。將煙草葉片切成0.5 cm×0.5 cm 小塊，放入農桿菌重懸菌液中浸泡15 min，取出葉片置于無菌濾紙上吸干殘液，將其接種在葉片分化培養基（鋪一層濾紙）中28 ℃暗培養2 d后，將其接種于篩選培養基。待葉片分化出的抗性芽生長至1.5 cm左右時，將其轉入生根培養基。

1.2.2 轉基因煙草的PCR鑒定及表達量分析

使用改良CTAB 法提取煙草基因組DNA，用DXRF（ATGGCTCTTAATTTGACGTCTCC）和DXR-R（TTAG ACAAGAGCGGGAGTACTCAAA）引物組合檢測過表達DXR基因的煙草植株。提取煙草總RNA，反轉錄為cDNA，并將其稀釋至100～200 ng/μL。以Actin 為內參基因，每個樣品進行3 次重復，反應程序選用兩步法：94 ℃、30 s，94 ℃、5 s，60 ℃、30 s，共40 個循環。用2-△△Ct 法計算平均值及標準差，使用SPSS 軟件對數據進行顯著性分析。

1.2.3 轉基因煙草的萜類揮發物測定

選取生長狀況良好的野生型及轉基因植株葉片，采用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）對樣品成分進行分析。

2 結果與分析

2.1 煙草抗性植株的PCR鑒定

以抗性煙草小苗葉片DNA 為模板，經DXR-F 和DXR-R 特異引物組合的PCR 檢測，10 株抗性植株中均含有與目的基因大小一致的條帶，如圖1 所示，條帶清晰且單一，初步證明該基因已經轉入煙草中。

圖1 DXR轉基因抗性煙草PCR檢測Fig.1 PCR detection of DXR transgenic resistant tobacco

2.2 轉基因煙草中DXR基因的表達量分析

提取陽性煙草植株的RNA，檢測DXR基因表達量。結果表明，DXR基因在轉基因株系中均有表達，其表達水平存在株系間差異，其中該基因在OE-2、OE-3、OE-4、OE-13、OE-14、OE-18、OE-19、OE-20 表達量明顯高于其在野生型煙草中的表達量，具體情況如圖2 所示，分別為41.45 倍、19.57 倍、100.9 倍、31.94 倍、135.9 倍、101.69倍、97.76倍、89.15倍。

圖2 轉基因煙草DXR的表達量檢測Fig.2 Detection of DXR expression in transgenic tobacco

圖3 DXR轉基因煙草株系單萜化合物含量情況Fig.3 Contents of monoterpene compounds in DXR transgenic tobacco lines

2.3 轉基因煙草花香萜類物質的分析

未發現轉基因煙草和野生型煙草的表型有明顯差異。選取DXR基因表達量最高的轉基因煙草株系OE-14和野生型植株為樣本，比較其萜類物質含量的差異。轉基因煙草中單萜揮發物含量占揮發物總量的4.3%，其含量顯著高于對照，比對照高出1.42 倍。具體情況如圖所示，過表達DXR基因并未引起煙草中二萜化合物含量發生變化。因此，過表達DXR基因可以提高轉基因植株的單萜化合物含量。

3 討論

萜類化合物一般由多個異戊二烯（C5）單元組成，按照萜類化合物在植物中發揮的不同作用，可以被分為初生代謝產物和次生代謝產物兩大類[6]。在植物次生代謝物中，萜類化合物是結構和數量種類比例最高的化合物，目前已從植物中分離出多種萜類化合物及其衍生物[7]。不同類型萜類化合物的合成和積累依賴于代謝途徑中關鍵酶的作用，這些酶通常位于合成途徑的分支點，催化各種前體和中間體的形成[8]。因此，可以通過對關鍵酶基因的克隆和表達來研究植物香氣的合成機理。過表達DXR基因會提高青蒿中的青蒿素的含量[9]。Veau[10]等克隆了長春花DXR基因，發現其表達水平與單萜物質吲哚生物堿含量變化相關。過表達DXR基因會增強擬南芥葉綠素等異戊二烯類化合物的生成[11]。本研究利用農桿菌介導法獲得了10 株轉基因煙草，轉基因煙草中DXR基因的表達水平有明顯提高。轉基因煙草中單萜化合物含量比對照植物增加了1.42倍，表明過表達薰衣草DXR基因可以提高煙草單萜化合物含量，與Veau 等的研究結果一致。因此，DXR基因過表達可以改變MEP途徑的代謝通量。

4 結語

本研究中轉基因煙草中DXR表達量與單萜化合物含量呈正相關，這為進一步探究DXR基因在薰衣草萜類合成中的調控機制奠定了基礎，也為薰衣草精油產量與品質提供了候選基因。