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在植物的三大类次生代谢产物中,萜类化合物是数量最多的一类。它不仅能够吸引传粉者和种子传播者,还可以作为抗菌剂对病原菌产生抗性,或者吸引植食性害虫的寄生蜂或者自然天敌昆虫,发挥间接防御的作用。萜类化合物的前体中间物质包括异戊烯基焦磷酸和二甲基丙烯焦磷酸酯,分别由植物细胞胞质中的甲羟戊酸途径和质体中的甲基赤藓醇磷酸两条途径合成。异戊烯基焦磷酸和二甲基丙烯焦磷酸酯能够在酶的作用下首尾连接发生缩合反应,生成萜类化合物的前体物质法尼基焦磷酸(FPP)和牻牛儿基焦磷酸(GPP),最终通过萜烯合成酶催化FPP和GPP产生结构多样、种类众多的萜类化合物,因此萜烯类合成酶是萜类化合物合成的关键酶。因此,萜类化合物的合成可以通过调控萜烯合成酶基因的表达来实现,进而影响植物体内的防御反应。水稻(Oryza sativa)全基因组测序已成功完成,其中含有许多萜烯合成酶基因。本课题通过基因克隆、原核表达、酶活性检测、亚细胞定位、空间表达以及室内实验等方法鉴定萜烯合成酶基因在水稻中的生态功能及对褐飞虱的影响。主要结果如下:1.萜烯合成酶的原核表达本课题成功从水稻中克隆出6个萜烯合成酶基因分别是OsTPS1、OsTPS10、OsTPS13、OsTPS21、OsTPS30和OsTPS35。通过体外原核表达,得到萜烯合成酶的重组蛋白,并利用固相微萃取(SPME)结合气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)的方法检测酶活性。其中OsTPS1以GPP为底物产生单萜化合物,主要产物是芳樟醇,具有单萜合成酶活性;OsTPS10以FPP为底物产生倍半萜化合物,主要产物是β-毕澄茄烯,具有倍半萜合成酶活性;OsTPS35既可以与GPP反应产生单萜化合物,又可以与FPP为底物合成倍半萜化合物,主要产物分别是萜品油烯和1,2,3,4,4a,7-hexahydro-1,6-dimethyl-4-(1-methylethyl)-Naphthalene,所以OsTPS35既具有单萜合成酶活性,又具有倍半萜合成酶活性。2.萜烯合成酶表达特征萜烯合成酶基因的表达具有明显的组织差异性,利用荧光定量PCR,分别检测克隆得到的6个萜烯合成酶基因在水稻中的表达情况,结果显示OsTPS1在分蘖期的叶片、叶鞘和根中表达量较高;OsTPS10在分蘖期和孕穗期的叶片中的表达量较高;OsTPS13在苗期、分蘖期和孕穗期的根中表达量较高;OsTPS21在苗期、分蘖期和孕穗期中都有表达,但在苗期叶片中的表达量相对较高;OsTPS30在分蘖期的叶鞘中表达量最高;OsTPS35在分蘖期和孕穗期的叶鞘中表达量较高。3.萜烯合成酶基因亚细胞定位萜类化合物可以在不同的细胞部位合成,利用亚细胞定位实验,分别检测克隆得到的5个萜烯合成酶基因的分布部位,结果显示5个萜烯合成酶基因都定位于质体中。4.室内行为学实验H-型嗅觉仪实验表明褐飞虱显著性地选择tps10基因过表达水稻植株,而对CRISPR-Cas9敲除后的tps10和tps35突变体植株无显著性选择。利用GC-MS检测突变体植株和过表达植株的在褐飞虱取食前后挥发物的变化,结果表明在褐飞虱取食前,过表达tps10植株中有3种挥发物相比对照植株具有显著性差异;基因敲除tps10和tps35突变体植株的挥发物含量无显著性差异。在褐飞虱取食后发现基因敲除的tps10突变体植株中有8种挥发物都显著性低于对照植株。