Reproductive Development Modulates Gene Expression and Metabolite Levels with Possible Feedback Inhibition of Artemisinin in Artemisia annua
- 作者
- Patrick R. Arsenault, Daniel Vail, Kristin K. Wobbe, Karen Erickson, Pamela J. Weathers
- 单位
- Department of Biology and Biotechnology, Worcester Polytechnic Institute; Department of Chemistry and Biochemistry, Worcester Polytechnic Institute; Arkansas Bioscience Institute, Arkansas State University; Department of Chemistry, Clark University
- 杂志
- Plant Physiology（2010）
- DOI
- 10.1104/pp.110.162552
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
解析青蒿从营养生长向生殖发育转变过程中，青蒿素及其前体代谢物积累、相关基因转录和腺毛发育的动态变化规律，并探究青蒿素/青蒿酸对自身合成途径的反馈抑制机制。
研究策略
通过分离营养期、现蕾期和盛花期植株的不同组织（营养叶、花蕾、花、苞叶、下部叶），采用液相色谱-质谱定量代谢物（AN、AA、AB、DHAA），实时RT-PCR检测6个生物合成基因（HMGR、DXS、DXR、FPS、ADS、CYP71AV1）的转录水平，统计腺毛密度；并用外源AN/AA喷洒叶片，检测相关基因转录变化。
核心内容
该研究系统解析了青蒿从营养生长转向生殖发育过程中青蒿素合成代谢的动态调控机制。通过分离营养期、现蕾期和盛花期植株的不同组织，结合液相色谱-质谱定量代谢物、实时RT-PCR检测六个生物合成基因转录水平以及腺毛密度统计，发现花中青蒿素含量最高达1.16 mg/g鲜重，比营养叶高出10倍以上；青蒿酸和双氢青蒿酸则在营养叶中最高，分别为0.54和0.52 mg/g，生殖期显著下降。基因表达方面，HMGR在花蕾中较营养叶升高27倍，而ADS和CYP在部分组织中下降超过100倍。外源施用青蒿素可使CYP转录下降超过10倍，外源青蒿酸使ADS下降10倍、CYP下降5倍，表明二者对自身合成途径存在反馈抑制。腺毛密度随发育阶段显著增加，且与青蒿素（r²=0.99）和青蒿素B（r²=0.98）积累强相关。该研究揭示了发育阶段、腺毛密度变化及代谢物反馈抑制共同构成青蒿素合成的多层级调控网络，为通过调控发育过程或解除反馈抑制提高青蒿素产量提供了理论依据。
创新点
首次将青蒿素生物合成基因转录、代谢物水平和腺毛密度与发育阶段系统关联；发现外源青蒿素和青蒿酸可分别反馈抑制CYP和ADS转录；揭示不同叶位和发育阶段腺毛密度变化与AN/AB积累的强相关性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua 'YU' | 甲羟戊酸途径（MVA） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA生成甲羟戊酸，为IPP合成提供前体 |
| Artemisia annua 'YU' | 非甲羟戊酸途径（MEP） | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶 | 催化 | MEP途径第一个限速酶 |
| Artemisia annua 'YU' | 非甲羟戊酸途径（MEP） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径第二个关键酶，定位于质体 |
| Artemisia annua 'YU' | 青蒿素生物合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成FPP |
| Artemisia annua 'YU' | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FPP环化生成紫穗槐-4,11-二烯 |
| Artemisia annua 'YU' | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶CYP71AV1 | 催化 | 催化紫穗槐-4,11-二烯三步氧化生成青蒿酸 |
| Artemisia annua 'YU' | 青蒿素生物合成途径 | — | — | 区室化 | 10细胞腺毛，青蒿素合成和储存的场所 |
关键发现
- 花中青蒿素（AN）含量最高达1.16 mg g^-1鲜重，比营养叶和花蕾高10倍以上
- 营养叶AN为0.12 mg g^-1，开花植株下部叶升至0.59 mg g^-1。花中青蒿素B（AB）最高为1.94 mg g^-1，苞叶在盛花期AN下降3倍。青蒿酸（AA）和双氢青蒿酸（DHAA）在营养叶中最高分别为0.54和0.52 mg g^-1，生殖期显著下降。基因表达方面，HMGR在花蕾中相对营养叶升高27倍，FPS升高10倍，DXS/DXR约6倍
- ADS和CYP在部分组织中下降超过100倍。腺毛密度（每1000表皮细胞）在开花植株中为141.2，现蕾植株70.7，营养期41.22。外源AN使CYP转录下降>10倍
- 外源AA使ADS下降10倍、CYP下降5倍。统计相关显示腺毛密度与AN（r^2=0.99）、AB（r^2=0.98）强相关，ADS/CYP转录与AA/DHAA显著相关。
研究结论
青蒿素和青蒿素B的积累与腺毛密度紧密相关，而前体AA/DHAA与ADS/CYP转录水平相关；AN和AA可能通过反馈抑制ADS/CYP转录来调节青蒿素合成。发育阶段、腺毛成熟与塌陷共同参与了青蒿素合成的多层级调控。