Overexpression of a novel NAC domain- containing transcription factor (AaNAC1) enhances the content of artemisinin and increases tolerance to drought and Botrytis cinerea in Artemisia annua
- 作者
- Zongyou Lv, Shu Wang, Fangyuan Zhang, Lingxian Chen, Xiaolong Hao, Qifang Pan, Xueqing Fu, Ling Li, Xiaofen Sun, 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, Shanghai Jiao Tong University; Laboratory of Plant Biotechnology, College of Life and Environment Sciences, Shanghai Normal University
- 杂志
- Plant and Cell Physiology（2017）
- DOI
- 10.1093/pcp/pcw118
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
黄花蒿中青蒿素含量低（0.4-1%），且干旱等逆境严重影响产量，需要提高青蒿素含量并增强抗逆性
研究策略
从黄花蒿中克隆NAC转录因子AaNAC1，在黄花蒿和拟南芥中过量表达，通过转录激活青蒿素生物合成关键酶基因，同时利用其调控抗逆相关基因增强抗旱和抗灰霉病能力
核心内容
该研究从黄花蒿中克隆了编码NAC转录因子的新基因AaNAC1，并验证其在青蒿素生物合成与逆境响应中的双重功能。通过在黄花蒿中过量表达AaNAC1，三个独立转基因株系的青蒿素含量分别提高14%、46%和79%，二氢青蒿酸含量相应提升30%、59%和150%；青蒿素合成关键酶基因的表达水平随之升高，其中ADS上调1.5至4.5倍，DBR2上调1至5倍，ALDH1上调1至3倍。烟草叶片中的双荧光素酶实验表明，AaNAC1可将ADS启动子驱动的转录活性激活2.3倍，提示其可能通过间接机制调控该基因表达。在拟南芥中异源表达AaNAC1后，干旱处理的存活率接近90%，而野生型不足10%，并显著增强了对灰霉病的抗性。此外，外源水杨酸和茉莉酸甲酯处理可分别将AaNAC1的表达诱导约30倍和40倍，脱水处理诱导约9倍。上述结果表明AaNAC1是调控青蒿素合成并参与胁迫响应的关键因子，可作为黄花蒿遗传改良的潜在靶点。
创新点
首次证明NAC转录因子AaNAC1能正调控青蒿素生物合成并同时提高干旱和灰霉病抗性；揭示了AaNAC1可间接激活ADS启动子
研究对象（8）
| 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 | AaNAC1 | AaNAC1 (NAC转录因子) | 调控 | 过表达提高青蒿素含量并增强抗旱和抗灰霉病能力 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | amorph-4,11-diene synthase | 催化 | AaNAC1可间接激活其启动子，mRNA水平提高1.5-4.5倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | amorphadiene 12-hydroxylase (细胞色素P450单加氧酶) | 催化 | 过表达AaNAC1后CYP71AV1表达无显著变化 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 表达水平提高1-5倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 表达水平提高1-3倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成（甲羟戊酸途径） | HMGR | HMG-CoA reductase | 催化 | 表达不受AaNAC1过表达影响 |
| Arabidopsis thaliana | 逆境响应 | AaNAC1 | AaNAC1 (NAC转录因子) | 调控 | 异源过表达显著提高干旱耐受性和灰霉病抗性 |
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素生物合成（ADS表达） | AaNAC1 | AaNAC1 (NAC转录因子) | 调控 | 用于亚细胞定位和Dual-LUC实验，确认AaNAC1激活ADS启动子 |
关键发现
- 过表达AaNAC1使黄花蒿青蒿素含量提高14%（NAC1-30）、46%（NAC1-35）和79%（NAC1-37），二氢青蒿酸含量提高30%、59%和150%
- ADS表达提高1.5-4.5倍，DBR2提高1-5倍，ALDH1提高1-3倍
- Dual-LUC实验显示AaNAC1可激活ADS转录2.3倍
- 转基因拟南芥干旱存活率近90%而野生型低于10%
- SA处理诱导AaNAC1表达约30倍，MJ约40倍，SA+MJ约60倍，脱水约9倍
研究结论
AaNAC1是一个参与胁迫响应的NAC转录因子，过表达可上调青蒿素合成相关基因表达，提高青蒿素含量，并增强抗旱和抗灰霉病能力，可用于黄花蒿遗传改良