GLANDULAR TRICHOME-SPECIFIC WRKY 1 promotes artemisinin biosynthesis in Artemisia annua
- 作者
- Minghui Chen, Tingxiang Yan, Qian Shen, Xu Lu, Qifang Pan, Youran Huang, Yueli Tang, Xueqing Fu, Meng Liu, Weimin Jiang, Zongyou Lv, Pu Shi, Ya-nan Ma, Xiaolong Hao, Lida Zhang, Ling Li, Kexuan Tang
- 单位
- Joint International Research Laboratory of Metabolic & Developmental Sciences, 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; State Key Laboratory of Natural Medicines, China Pharmaceutical University, 24 Tong Jia Xiang, Nanjing, Jiangsu 210009, China
- 杂志
- New Phytologist（2016）
- DOI
- 10.1111/nph.14373
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析青蒿素生物合成途径的转录调控网络，特别是腺毛特异性转录因子如何调控青蒿素生物合成，以及茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）信号如何通过转录因子级联调节该途径。
研究策略
利用转录组共表达分析筛选腺毛特异性WRKY转录因子，克隆并表征AaGSW1，通过酵母单杂交、EMSA、双荧光素酶实验验证其与靶启动子的直接结合和转录激活，通过腺毛特异性过表达验证其体内功能，并结合激素处理解析JA/ABA信号通路对其调控的分子机制。
核心内容
该研究通过转录组共表达分析，从黄花蒿中鉴定并克隆了一个腺毛特异性表达的WRKY转录因子AaGSW1（由183个氨基酸组成），旨在解析青蒿素生物合成的转录调控网络。利用酵母单杂交、EMSA和双荧光素酶实验，证实AaGSW1可直接结合并激活青蒿素合成关键酶基因CYP71AV1及转录因子AaORA的启动子，从而通过直接与间接两条途径上调青蒿素合成。腺毛特异性过表达AaGSW1使青蒿素含量提高55%至100%，二氢青蒿酸含量提高50%至60%，同时下游关键酶基因ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1的表达量分别增加约3至5倍、3至6倍、2至3倍、4至7倍。在MeJA和ABA处理下，过表达植株的青蒿素含量分别额外增加37%至50%和39%至43%，显著高于对照。该研究揭示了JA/ABA信号通过AaMYC2/AabZIP1-AaGSW1-CYP71AV1形成相干前馈环路放大促合成效应，证明AaGSW1是青蒿素代谢工程的有效靶点。
创新点
['首次鉴定并克隆了腺毛特异性WRKY转录因子AaGSW1，证明其正调控青蒿素生物合成。', '揭示AaGSW1直接结合并激活CYP71AV1和AaORA的启动子，通过直接和间接两条途径上调青蒿素合成关键酶基因。', '提出JA/ABA信号通过AaMYC2/AabZIP1-AaGSW1-CYP71AV1形成相干前馈环路，放大激素信号对青蒿素合成的促进效应。']
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | AaGSW1 | AaGSW1 | 调控 | 腺毛特异性WRKY转录因子，直接结合CYP71AV1和AaORA启动子中的W-box元件，受AaMYC2和AabZIP1调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | CYP71AV1 | 催化 | 细胞色素P450单加氧酶，催化紫穗槐二烯氧化生成青蒿酸，受AaGSW1直接正调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | AaORA | AaORA | 调控 | AP2/ERF转录因子，腺毛特异性，受AaGSW1直接正调控，进而激活ADS和DBR2等基因 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | ADS | ADS | 催化 | 紫穗槐-4,11-二烯合酶，催化FPP环化形成紫穗槐二烯，青蒿素合成的关键酶 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | DBR2 | 催化 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶，催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | ALDH1 | 催化 | 醛脱氢酶，催化二氢青蒿醛生成二氢青蒿酸 |
| Artemisia annua | JA信号通路 | AaMYC2 | AaMYC2 | 调控 | bHLH转录因子，响应茉莉酸信号，直接结合AaGSW1启动子中的G-box元件 |
| Artemisia annua | ABA信号通路 | AabZIP1 | AabZIP1 | 调控 | bZIP转录因子，响应脱落酸信号，直接结合AaGSW1启动子中的ABRE元件 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | AaWRKY75b | AaWRKY75b | 调控 | WRKY转录因子，与AaGSW1共表达于腺毛，但不直接调控青蒿素合成相关基因 |
关键发现
- 过表达AaGSW1使青蒿素含量提高55-100%，二氢青蒿酸（DHAA）含量提高50-60%，青蒿酸（AA）含量降低30-90%
- AaGSW1转录水平增加5倍以上，ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1表达分别增加约3-5、3-6、2-3、4-7倍，AaORA表达增加4倍。MeJA处理下过表达植株青蒿素含量增加37-50%（对照18%），ABA处理下增加39-43%（对照16%）。AaGSW1由183个氨基酸组成。
研究结论
AaGSW1是腺毛特异性的WRKY转录因子，作为青蒿素生物合成的正向调控因子，通过直接激活CYP71AV1和AaORA，并与JA/ABA信号通路中的AaMYC2和AabZIP1形成相干前馈环路来协同调控青蒿素合成，过表达AaGSW1可显著提高青蒿素产量，为青蒿素代谢工程提供了新的靶点。