The Jasmonate-Responsive AP2/ERF Transcription Factors AaERF1 and AaERF2 Positively Regulate Artemisinin Biosynthesis in Artemisia annua L.
- 作者
- Zong-Xia Yu, Jian-Xu Li, Chang-Qing Yang, Wen-Li Hu, Ling-Jian Wang, Xiao-Ya Chen
- 单位
- National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics and National Center for Plant Gene Research, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; Plant Science Research Center, Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai 201602, China
- 杂志
- Molecular Plant（2012）
- DOI
- 10.1093/mp/ssr087
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析茉莉酸（JA）调控青蒿素生物合成的转录机制，鉴定并功能验证参与调控的AP2/ERF转录因子。
研究策略
从青蒿腺毛cDNA文库中筛选JA响应的AP2/ERF转录因子，通过酵母单杂交和EMSA验证其与ADS和CYP71AV1启动子中CBF2和RAA基序的结合，利用烟草瞬时表达和转基因青蒿过表达/RNAi验证其对青蒿素生物合成的正调控作用。
核心内容
该研究从青蒿腺毛cDNA文库中鉴定出两个响应茉莉酸（JA）的AP2/ERF转录因子AaERF1和AaERF2，并对其在青蒿素生物合成中的调控作用进行了系统解析。通过酵母单杂交和EMSA实验证实，这两个转录因子可直接结合青蒿素合成关键酶基因ADS和CYP71AV1启动子中的CBF2与RAA顺式元件。烟草瞬时表达实验显示，AaERF2可使ADS启动子活性提高约3倍，AaERF1可使CYP71AV1启动子活性提高约6倍。在转基因青蒿中过表达AaERF1使青蒿素和青蒿酸含量分别增加19%-67%和11%-76%，过表达AaERF2使两者分别增加24%-51%和17%-121%；而RNAi沉默AaERF1或AaERF2则显著降低相关基因表达及产物积累，沉默AaERF2时ADS和CYP71AV1表达仅剩野生型的4%-9%和3%-12%。该研究首次揭示了JA信号通过这两个转录因子直接激活青蒿素合成途径基因的分子机制，为通过遗传工程提高青蒿素产量提供了明确的新靶点。
创新点
首次鉴定两个JA响应的AP2/ERF转录因子AaERF1和AaERF2直接结合ADS和CYP71AV1启动子中的CBF2和RAA顺式元件，并证明其正调控青蒿素和青蒿酸积累，为青蒿素产量提升提供新的遗传靶点。
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 | AaERF1 | AaERF1 | 调控 | JA响应的AP2/ERF转录因子，结合ADS和CYP71AV1启动子中CBF2和RAA基序，正调控其表达 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaERF2 | AaERF2 | 调控 | JA响应的AP2/ERF转录因子，结合ADS和CYP71AV1启动子中CBF2和RAA基序，正调控其表达 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | ADS | 催化 | 紫穗槐-4,11-二烯合酶，催化FDP环化为amorpha-4,11-diene |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | CYP71AV1 | 催化 | 细胞色素P450单加氧酶，氧化amorpha-4,11-diene经青蒿醇和青蒿醛生成青蒿酸 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | DBR2 | 催化 | 青蒿醛Δ11(13)双键还原酶 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | ALDH1 | 催化 | 醛脱氢酶，氧化青蒿醛和双氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 萜类前体生物合成（MVA途径） | HMGR | HMGR | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 |
| Artemisia annua | 萜类前体生物合成（MVA途径） | FPS | FPS | 催化 | 法尼基焦磷酸合酶，催化IPP/DMAPP缩合生成FDP |
| Nicotiana benthamiana | 报告基因检测 | GUS | GUS | 催化 | β-葡萄糖醛酸酶，用于启动子活性检测 |
关键发现
- MeJA处理下ADS表达在1小时达峰，CYP71AV1表达在9小时达峰
- 瞬时表达AaERF2使ADS启动子活性增加约3倍，AaERF1使CYP71AV1启动子活性增加约6倍
- 过表达AaERF1使ADS和CYP71AV1表达分别提高2-8倍和1.2-5倍，青蒿素和青蒿酸含量分别增加19-67%和11-76%
- 过表达AaERF2使青蒿素和青蒿酸含量分别增加24-51%和17-121%
- RNAi沉默AaERF1使ADS和CYP71AV1表达降至野生型的13%-35%和7%-38%，青蒿素和青蒿酸含量降至野生型的58%-76%和30%-55%
- RNAi沉默AaERF2使ADS和CYP71AV1表达降至野生型的4%-9%和3%-12%，青蒿素和青蒿酸含量降至野生型的51%-70%和37%-69%。
研究结论
AaERF1和AaERF2是青蒿素生物合成的正调控转录因子，通过直接结合ADS和CYP71AV1启动子激活其表达，提高青蒿素和青蒿酸积累，是青蒿素遗传工程改良的重要靶点。