Relative expression of genes of terpene metabolism in different tissues of Artemisia annua L
- 作者
- Linda Olofsson, Alexander Engström, Anneli Lundgren, Peter E Brodelius
- 杂志
- BMC Plant Biology（2011）
- DOI
- 10.1186/1471-2229-11-45
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
理解青蒿不同组织中萜类代谢相关基因的表达模式，评估青蒿素生物合成前体法尼基焦磷酸（FDP）的竞争，为增加青蒿素产量提供理论基础。
研究策略
利用qPCR定量分析14个萜类代谢基因在花蕾、幼叶、老叶、茎、根和毛状根中的相对表达，结合荧光显微镜观察腺毛密度，采用相对定量方法比较基因表达差异。
核心内容
本研究利用qPCR对青蒿不同组织（花蕾、幼叶、老叶、茎、根和毛状根）中14个萜类代谢基因的相对表达量进行了系统分析，并结合荧光显微镜观察了腺毛密度。结果显示，青蒿素生物合成途径的四个关键基因ADS、CYP71AV1、DBR2和ALDH1在花蕾和幼叶中的表达量显著高于其他组织，约为老叶、茎、根和毛状根的40至500倍。HMGR在花蕾和幼叶中的表达量分别比老叶高20倍和8倍，DXS则高7至8倍；而HDR在老叶中的表达比其他组织高10至30倍，RED1在毛状根中高约50倍。幼叶腺毛密度约为300±40个/cm²，是老叶（约130±25个/cm²）的两倍以上。基于酶动力学估算，鲨烯合酶（SQS）在花蕾和幼叶中的相对转录量分别达到ADS的约45倍和25倍，表明SQS是法尼基焦磷酸（FDP）的主要竞争者，可能分流前体从而限制青蒿素产量。该研究揭示了青蒿素合成基因表达与腺毛密度的组织特异性关联，并指出SQS对FDP的竞争是提升青蒿素产量的潜在调控靶点。
创新点
系统比较了多个组织和多条代谢途径基因的表达，首次揭示了青蒿素生物合成途径基因在花蕾和幼叶中的极高表达，并定量评估了不同倍半萜合酶和鲨烯合酶对FDP的竞争潜力。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ADS | Amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 在花蕾和幼叶高表达，根中未检测到 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | Amorphadiene-12-hydroxylase | 催化 | 在花蕾和幼叶高表达 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | DBR2 | Artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 在花蕾和幼叶高表达，但需特异性区分OPR3 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | Aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 在花蕾和幼叶高表达 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（旁路） | RED1 | Dihydroartemisinic aldehyde reductase | 催化 | 在毛状根中高表达，在青蒿素合成组织中低表达 |
| Artemisia annua L. | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA reductase | 催化 | 在花蕾、幼叶、根和毛状根中表达较高，是限速酶 |
| Artemisia annua L. | 甲羟戊酸途径/萜类前体合成 | FDS1/FDS2 | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 各组织表达差异不大 |
| Artemisia annua L. | MEP途径 | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 花蕾和幼叶中比老叶高7-8倍 |
| Artemisia annua L. | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 花蕾和毛状根中略高 |
| Artemisia annua L. | MEP途径 | HDR | Hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate reductase | 催化 | 老叶表达比其他组织高10-30倍 |
| Artemisia annua L. | 倍半萜生物合成 | CPS | β-caryophyllene synthase | 催化 | 在幼叶和花蕾中高表达 |
| Artemisia annua L. | 倍半萜生物合成 | GAS | Germacrene A synthase | 催化 | 主要在幼叶和花蕾中表达 |
| Artemisia annua L. | 倍半萜生物合成 | ECS | Epi-cedrol synthase | 催化 | 在老叶中高表达 |
| Artemisia annua L. | 甾醇/三萜生物合成 | SQS | Squalene synthase | 催化 | 各组织表达差异不大，但可能竞争FDP |
关键发现
- 青蒿素生物合成途径的4个基因（ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1）在花蕾和幼叶中的表达量比其他组织（老叶、茎、根、毛状根）高约40-500倍
- HMGR在花蕾和幼叶中分别比老叶高20倍和8倍
- DXS在花蕾和幼叶中比老叶高7-8倍
- HDR在老叶中的表达比其他组织高10-30倍
- RED1在毛状根中表达比老叶高约50倍
- 幼叶的腺毛密度约为300±40个/cm²，老叶约为130±25个/cm²
- SQS在花蕾和幼叶中相对转录量分别为ADS的约45倍和25倍（基于kcat估算）。
研究结论
青蒿素生物合成基因在花蕾和幼叶中高表达，与腺毛密度相关；RED1对青蒿素合成影响有限；SQS是FDP的主要竞争者，可能降低青蒿素产量。