AaABF3, an Abscisic Acid–Responsive Transcription Factor, Positively Regulates Artemisinin Biosynthesis in Artemisia annua
- 作者
- Yijun Zhong, Ling Li, Xiaolong Hao, Xueqing Fu, Yanan Ma, Lihui Xie, Qian Shen, Sadaf Kayani, Qifang Pan, Xiaofen Sun, Kexuan Tang
- 单位
- Joint International Research Laboratory of Metabolic and 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, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2018）
- DOI
- 10.3389/fpls.2018.01777
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析脱落酸（ABA）调控青蒿素生物合成的分子机制，特别是ABRE结合转录因子AaABF3在其中的作用。
研究策略
从青蒿中克隆AaABF3基因，通过qRT-PCR分析其组织表达及ABA诱导响应；通过GUS染色和亚细胞定位确定其表达部位和核定位；利用双荧光素酶、酵母单杂交和EMSA验证其与ALDH1启动子G-box的直接结合；通过过表达和RNAi转基因青蒿功能分析验证其正调控作用。
核心内容
该研究从青蒿中克隆了脱落酸响应转录因子基因AaABF3，并系统解析了其在青蒿素生物合成中的调控作用。通过qRT-PCR和GUS染色发现，AaABF3受ABA诱导表达，处理后3小时表达量达峰值，且在毛状体中高表达；亚细胞定位实验确认该蛋白定位于细胞核。双荧光素酶、酵母单杂交和EMSA实验证明，AaABF3可直接结合青蒿素合成关键基因ALDH1启动子上的G-box基序，并将其启动子活性提高2.4倍。在青蒿中过表达AaABF3使青蒿素含量较野生型提高19%–72%，同时ADS、CYP71AV1、DBR2和ALDH1的表达分别上调1.4–3.3倍、1.9–5.6倍、1.7–3.5倍和5.0–12.0倍；而RNAi干扰则使青蒿素含量降至野生型的58%–78%，相应基因表达显著下调。这些结果表明AaABF3是ABA信号通路中正向调控青蒿素合成的关键转录因子，通过直接激活ALDH1表达发挥作用，为通过基因工程提高青蒿素产量提供了新的分子靶点。
创新点
首次鉴定并证明AaABF3作为ABA响应的bZIP转录因子，直接结合青蒿素生物合成关键基因ALDH1启动子上的G-box基序并激活其表达，从而正向调控青蒿素生物合成。
研究对象（6）
| 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 | AaABF3 | AaABF3 (ABRE结合转录因子) | 调控 | ABA响应转录因子，正向调控青蒿素生物合成，直接结合ALDH1启动子 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | ALDH1 (醛脱氢酶) | 催化 | 催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸，是AaABF3的直接靶基因 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | ADS (紫穗槐-4,11-二烯合酶) | 催化 | 催化FPP环化形成紫穗槐-4,11-二烯，受AaABF3间接调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | CYP71AV1 (细胞色素P450单加氧酶) | 催化 | 催化紫穗槐-4,11-二烯氧化为青蒿醇和青蒿醛，受AaABF3间接调控 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | DBR2 (青蒿醛Δ11(13)还原酶) | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛，受AaABF3间接调控 |
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素生物合成（异源表达） | AaABF3 | AaABF3 (ABRE结合转录因子) | 调控 | 用于亚细胞定位和双荧光素酶瞬时表达实验 |
关键发现
- AaABF3受ABA诱导表达，处理后3小时达峰值
- 在毛状体中高表达。AaABF3定位于细胞核。双荧光素酶实验显示AaABF3将ALDH1启动子活性提高2.4倍。过表达AaABF3使青蒿素含量比野生型提高19%-72%，同时ADS、CYP71AV1、DBR2和ALDH1的表达分别提高1.4-3.3倍、1.9-5.6倍、1.7-3.5倍和5.0-12.0倍
- RNAi干扰AaABF3使青蒿素含量降至野生型的58%-78%，上述基因表达分别降至23%-78%、27%-62%、37%-78%和11%-27%。
研究结论
AaABF3是ABA信号通路中的正调控转录因子，通过直接结合ALDH1启动子上的G-box基序激活ALDH1表达，进而促进青蒿素生物合成，为青蒿素高产工程提供了新的靶点。