AaPDR3, a PDR Transporter 3, Is Involved in Sesquiterpene β-Caryophyllene Transport in Artemisia annua
- 作者
- Xueqing Fu, Pu Shi, Qian He, Qian Shen, Yueli Tang, Qifang Pan, Yanan Ma, Tingxiang Yan, Minghui Chen, Xiaolong Hao, Pin Liu, Ling Li, Yuliang Wang, Xiaofen Sun, Kexuan Tang
- 单位
- 上海交通大学农业与生物学院；复旦-上海交大-诺丁汉植物生物技术研发中心；植物生物技术研究中心；农业部都市农业（南方）重点实验室；代谢与发育科学联合国际研究实验室；中国上海
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2017）
- DOI
- 10.3389/fpls.2017.00723
- 所属领域
- 植物代谢
- 关键词
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解决的核心问题
黄花蒿中倍半萜（尤其是β-石竹烯）的转运机制尚不清楚，特别是在T形毛状体中倍半萜转运蛋白的作用及其对代谢物积累的影响。
研究策略
从黄花蒿T形毛状体转录组中筛选ABC转运蛋白候选基因AaPDR3，通过亚细胞定位、启动子-GUS组织定位、RNAi敲低和过表达转基因黄花蒿结合GC-MS代谢物分析，以及酵母异源表达系统研究其底物特异性和转运动力学。
核心内容
该研究从黄花蒿T形毛状体转录组中筛选并鉴定出一个PDR型ABC转运蛋白基因AaPDR3，其cDNA全长4,278 bp，编码1,425个氨基酸，蛋白定位于质膜。通过启动子-GUS组织定位发现AaPDR3主要在T形毛状体和根中表达，且100 μM MeJA处理可诱导其表达。在AaPDR3-RNAi转基因黄花蒿中，4个株系基因表达量下调14%–34%，β-石竹烯含量较野生型降低32%–86%，而β-法尼烯和德国木香烯含量无明显变化；过表达株系中β-石竹烯含量升至0.48 mg/g FW，对照组为0.28 mg/g FW。酵母异源表达证实AaPDR3介导β-石竹烯的跨膜摄取，转运动力学符合米氏方程，Km为63.47 ± 8.81 pmol，Vmax为80.89 ± 2.46 pmol/g鲜酵母细胞/min。值得注意的是，敲低AaPDR3的RNAi植株青蒿素含量显著增加。该研究首次在黄花蒿乃至菊科中鉴定出参与倍半萜β-石竹烯转运的PDR型转运蛋白，证实其是β-石竹烯积累所必需，同时揭示抑制该转运蛋白可分流代谢通量、促进青蒿素积累，为通过调控转运蛋白提高目标代谢物产量提供了新策略。
创新点
首次在黄花蒿（乃至菊科）中鉴定出参与倍半萜β-石竹烯转运的PDR型ABC转运蛋白AaPDR3；证明其定位在质膜并介导β-石竹烯的跨膜摄取；通过RNAi和过表达实验证实AaPDR3调控β-石竹烯积累；发现敲低AaPDR3可提高青蒿素含量。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. (黄花蒿) | 倍半萜生物合成途径 | AaPDR3 | AaPDR3 (PDR transporter 3) | 转运 | 质膜定位，参与β-石竹烯转运，影响其积累；RNAi降低β-石竹烯含量，过表达升高。 |
| 酿酒酵母AD12345678 | 倍半萜转运功能验证（异源表达） | AaPDR3 | AaPDR3 | 转运 | 异源表达酵母对β-石竹烯摄取增强，Km=63.47±8.81 pmol，Vmax=80.89±2.46 pmol/g/min；对β-法尼烯和德国木香烯无显著转运。 |
| Artemisia annua L. (黄花蒿) | 倍半萜生物合成途径 | AaCPS (β-caryophyllene synthase) | β-石竹烯合酶 | 催化 | 催化FPP环化生成β-石竹烯，与AaPDR3共表达于T形毛状体，是β-石竹烯合成的关键酶。 |
关键发现
- AaPDR3 cDNA全长4,278 bp，编码1,425个氨基酸的PDR转运蛋白，定位于质膜。在AaPDR3-RNAi转基因黄花蒿中，4个株系的AaPDR3表达量下调14%–34%，β-石竹烯含量较野生型降低32%–86%；而β-法尼烯和德国木香烯（germacrene D）含量无明显变化。在AaPDR3过表达株系中，β-石竹烯含量升至0.48 mg/g FW，对照组为0.28 mg/g FW。酵母异源表达实验中，表达AaPDR3的酵母在100 μM β-石竹烯处理9 h时，细胞内β-石竹烯积累量大于44 nmol/g细胞，而对照约为27 nmol/g细胞；转运遵循米氏动力学，Km为63.47 ±
- 81 pmol，Vmax为80.89 ±
- 46 pmol/g鲜酵母细胞/min。100 μM MeJA处理可诱导AaPDR3表达；敲低AaPDR3的RNAi植株青蒿素含量显著增加。
研究结论
AaPDR3是一个质膜定位的PDR型ABC转运蛋白，特异参与β-石竹烯的跨膜转运，是黄花蒿中β-石竹烯积累所必需的。它主要在T形毛状体和根中表达，可能将β-石竹烯运输到特定细胞储存以防御胁迫。此外，抑制AaPDR3表达会降低β-石竹烯含量并增加青蒿素含量，表明阻断分支途径有助于青蒿素积累。该研究首次报道了黄花蒿中参与倍半萜转运的转运蛋白。