AaMYB1, and its orthologue AtMYB61, affect terpene metabolism and trichome development in Artemisia annua and Arabidopsis thaliana
- 作者
- Luis Matías-Hernández, Weimin Jiang, Ke Yang, Kexuan Tang, Peter E Brodelius, Soraya Pelaz
- 单位
- Centre for Research in Agricultural Genomics, CSIC-IRTA-UAB-UB, Campus UAB, Bellaterra (Cerdanyola del Vallès) 08193 Barcelona, Spain; Sequentia Biotech, Cerdanyola del Vallès, 08193 Barcelona, Spain; Shanghai Jiao Tong University - Plant Biotechnology Research Center, Shanghai, China; Department of Chemistry and Biomedical Sciences, Linnaeus University, 391 82 Kalmar, Sweden; ICREA, Pg. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, Spain
- 杂志
- The Plant Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/tpj.13509
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素在植物中含量极低，导致抗疟药物价格昂贵，需要提高青蒿素在青蒿中的产量并理解其调控机制
研究策略
从青蒿腺毛特异EST文库中鉴定转录因子AaMYB1，通过过表达（全株或腺毛特异）分析其对青蒿素生物合成和毛状体发育的影响，并在拟南芥中验证其直系同源基因AtMYB61的功能，结合系统发育、表达分析和突变体表型揭示其调控网络
核心内容
该研究从青蒿腺毛特异EST文库中鉴定出一个新的R2R3-MYB转录因子AaMYB1，并系统研究了其在青蒿和拟南芥中调控萜类代谢与毛状体发育的功能。通过在全株和腺毛特异启动子驱动下过表达AaMYB1，发现青蒿叶片青蒿素含量几乎翻倍，在相对高产品种Anamed背景下产量超过1% w/w，二氢青蒿酸含量增加3至4倍；同时过表达植株的毛状体数量和密度显著高于野生型。在拟南芥中异源表达AaMYB1使毛状体密度平均增加三分之一，并产生四至五分支毛状体，而其直系同源基因AtMYB61的突变体则表现为毛状体减少、分支减少。表达分析显示AaMYB1和AtMYB61正向调控赤霉素合成基因GA3ox1/GA3ox2及降解基因GA2ox2/GA2ox4，并激活关键毛状体起始基因GL1和GL2，说明二者在赤霉素代谢调控上功能保守。该工作首次揭示了AaMYB1作为连接青蒿素生物合成、赤霉素代谢和毛状体发育的关键调控节点，过表达AaMYB1可作为提高青蒿素产量的有效遗传工程策略。
创新点
首次鉴定并表征了青蒿MYB转录因子AaMYB1，发现其正调控青蒿素生物合成基因和毛状体起始；揭示了AaMYB1与AtMYB61在GA生物合成和降解中的保守功能；证明AaMYB1通过激活GL1和GL2促进毛状体发生和分支
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | Amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 青蒿素生物合成关键酶，受AaMYB1正调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | Amorpha-4,11-diene 12-hydroxylase | 催化 | 青蒿素生物合成关键酶，受AaMYB1正调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | FDS | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 青蒿素前体FDP合成酶，受AaMYB1适度上调 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | Artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 青蒿素生物合成相关还原酶，受AaMYB1适度上调 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | Aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 青蒿素直接前体DHAA合成酶，受AaMYB1适度上调 |
| Artemisia annua | 转录调控 | AaMYB1 | AaMYB1 (R2R3-MYB transcription factor) | 调控 | 青蒿转录因子，调控青蒿素合成基因及毛状体发育 |
| Arabidopsis thaliana | 转录调控 | AtMYB61 | AtMYB61 (R2R3-MYB transcription factor) | 调控 | AaMYB1的直系同源基因，调控毛状体起始、根发育和气孔开度 |
| Arabidopsis thaliana | 毛状体发育 | GL1 | GLABROUS1 (MYB0) | 调控 | 毛状体起始关键转录因子，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Arabidopsis thaliana | 毛状体发育 | GL2 | GLABRA2 | 调控 | 毛状体起始的通用促进因子，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Arabidopsis thaliana | 赤霉素生物合成 | GA3ox1 | Gibberellin 3-oxidase 1 | 催化 | 将GA9转化为生物活性GA4，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Arabidopsis thaliana | 赤霉素生物合成 | GA3ox2 | Gibberellin 3-oxidase 2 | 催化 | 将GA9转化为生物活性GA4，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Artemisia annua | 赤霉素生物合成 | AaGA3ox1 | Putative GA3-oxidase 1 | 催化 | 青蒿中GA3ox直系同源基因，受AaMYB1正调控 |
| Artemisia annua | 赤霉素生物合成 | AaGA3ox2 | Putative GA3-oxidase 2 | 催化 | 青蒿中GA3ox直系同源基因，受AaMYB1正调控 |
| Artemisia annua | 赤霉素生物合成 | AaGA3ox3 | Putative GA3-oxidase 3 | 催化 | 青蒿中GA3ox直系同源基因，受AaMYB1正调控 |
| Arabidopsis thaliana | 赤霉素降解 | GA2ox2 | Gibberellin 2-oxidase 2 | 催化 | 降解GA4为GA34，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Arabidopsis thaliana | 赤霉素降解 | GA2ox4 | Gibberellin 2-oxidase 4 | 催化 | 降解GA4为GA34，受AaMYB1/AtMYB61正调控 |
| Artemisia annua | 赤霉素降解 | AaGA2ox1 | Putative GA2-oxidase 1 | 催化 | 青蒿中GA2ox直系同源基因，受AaMYB1正调控 |
| Artemisia annua | 赤霉素降解 | AaGA2ox2 | Putative GA2-oxidase 2 | 催化 | 青蒿中GA2ox直系同源基因，受AaMYB1正调控 |
关键发现
- 过表达AaMYB1使青蒿叶片青蒿素含量几乎翻倍（相对高产品种Anamed，产量超过1% w/w），DHAA含量增加3-4倍
- 35S::AaMYB1青蒿植株的毛状体数量和密度显著高于野生型
- 拟南芥中过表达AaMYB1使毛状体密度平均增加三分之一，并产生四至五分支毛状体
- Atmyb61-2突变体毛状体减少且分支减少
- AaMYB1和AtMYB61正向调控GA3ox1/GA3ox2表达（促进GA4合成）及GA2ox2/GA2ox4表达（促进GA4降解）
- 同时激活关键毛状体基因GL1和GL2的表达
研究结论
AaMYB1及其直系同源基因AtMYB61是连接萜类代谢（青蒿素合成）、赤霉素代谢和毛状体发育的关键调控因子，通过激活青蒿素生物合成基因和促进毛状体增殖，AaMYB1过表达可显著提高青蒿素产量，具有重要的遗传工程应用价值