The roles of AaMIXTA1 in regulating the initiation of glandular trichomes and cuticle biosynthesis in Artemisia annua
- 作者
- Pu Shi, Xueqing Fu, Qian Shen, Meng Liu, Qifang Pan, Yueli Tang, Weimin Jiang, Zongyou Lv, Tingxiang Yan, Yanan Ma, Minghui Chen, Xiaolong Hao, Pin Liu, Ling Li, Xiaofen Sun, Kexuan Tang
- 单位
- Key Laboratory of Urban Agriculture (South) Ministry of Agriculture, Plant Biotechnology Research Center, Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
- 杂志
- New Phytologist（2017）
- DOI
- 10.1111/nph.14789
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析AaMIXTA1在调控青蒿（Artemisia annua）腺毛起始和角质层生物合成中的作用，探索通过增加腺毛密度提高青蒿素含量的策略。
研究策略
从腺毛转录组数据库中筛选MYB转录因子，鉴定出MIXTA类转录因子AaMIXTA1；通过过表达、RNAi和EAR嵌合抑制研究其对腺毛密度和青蒿素含量的影响；利用转录组分析、角质层脂质谱分析和双荧光素酶报告实验揭示其调控角质层生物合成的机制。
核心内容
该研究从青蒿腺毛转录组数据库中筛选并鉴定了一个MIXTA类R2R3-MYB转录因子AaMIXTA1，系统解析了其在腺毛起始和角质层生物合成中的双重调控作用。通过过表达、RNAi以及EAR嵌合抑制实验发现，过表达AaMIXTA1可使叶片腺毛密度增加1.3至1.5倍，青蒿素含量由约8 mg g⁻¹ DW提升至16 mg g⁻¹ DW，而RNAi抑制则使腺毛密度降低26%至33%，青蒿素含量降至6至6.51 mg g⁻¹ DW，且腺毛形态结构未受影响。角质层分析显示，过表达株系总蜡质增加10%至40%，总角质单体增加20%至25%，而RNAi株系总蜡质减少约50%至77%。双荧光素酶报告实验进一步证明AaMIXTA1可直接激活AaKCS5、AaCER1、AaCYP77A1、AaCYP86A1和AaABCG12等角质层合成与转运相关基因的转录。该研究首次功能验证了青蒿中MIXTA类转录因子对腺毛起始的正向调控作用，并揭示了其通过促进角质层生物合成间接支持腺毛发育的机制，为通过遗传操作增加腺毛密度以提高青蒿素产量提供了新的分子靶点。
创新点
首次鉴定并功能验证了青蒿中MIXTA类转录因子AaMIXTA1正向调控腺毛起始和角质层生物合成；证实AaMIXTA1通过增加腺毛密度提高青蒿素含量，且不影响腺毛形态结构。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 腺毛起始与角质层生物合成 | AaMIXTA1 | AaMIXTA1 (R2R3-MYB转录因子) | 调控 | MIXTA亚组成员，主要在GST基底细胞表达，正向调控GST和TST起始 |
| Artemisia annua L. | 角质层蜡质生物合成 | AaKCS5 | 3-酮脂酰-CoA合酶5 | 催化 | 参与超长链脂肪酸合成，被AaMIXTA1直接激活 |
| Artemisia annua L. | 角质层蜡质生物合成 | AaCER1 | 脂肪酸羟化酶1 | 催化 | 参与蜡质烷烃生物合成，被AaMIXTA1直接激活 |
| Artemisia annua L. | 角质素生物合成 | AaCYP77A1 | 细胞色素P450 77A1 | 催化 | 参与聚合角质素合成，被AaMIXTA1直接激活 |
| Artemisia annua L. | 角质素/蜡质生物合成 | AaCYP86A1 | 细胞色素P450 86A1 | 催化 | 参与角质素和蜡质合成，被AaMIXTA1直接激活 |
| Artemisia annua L. | 角质层蜡质转运 | AaABCG12 | ABC转运蛋白G家族成员12 | 转运 | 参与蜡质向表皮转运，被AaMIXTA1直接激活 |
| Nicotiana benthamiana | 角质层生物合成（瞬时表达检测） | AaMIXTA1 | AaMIXTA1 (R2R3-MYB转录因子) | 调控 | 用于双荧光素酶报告实验验证对下游基因的激活 |
关键发现
- 过表达AaMIXTA1使叶片腺毛密度增加1.3-1.5倍，青蒿素含量从约8 mg g⁻¹ DW提高到16 mg g⁻¹ DW
- RNAi抑制使腺毛密度降低26-33%，青蒿素含量降至6-6.51 mg g⁻¹ DW
- EAR抑制使青蒿素含量降至4.69-5.61 mg g⁻¹ DW，对照为8.15 mg g⁻¹ DW。过表达株系总蜡质增加10-40%，总角质单体增加20-25%
- RNAi株系总蜡质减少约50-77%。双荧光素酶实验证明AaMIXTA1直接激活AaKCS5、AaCER1、AaCYP77A1、AaCYP86A1和AaABCG12的表达。
研究结论
AaMIXTA1正向调控青蒿角质层生物合成并促进腺毛起始，且不影响腺毛形态结构，为提高青蒿素含量提供了新的遗传操作靶点和策略。