Chemotype-dependent Metabolic Response to Methyl Jasmonate Elicitation in Artemisia annua
- 作者
- Wei Wu, Man Yuan, Qing Zhang, Yanming Zhu, Li Yong, Wei Wang, Yan Qi, Dianjing Guo
- 单位
- School of Life Sciences and the State Key Laboratory for Agrobiotechnology, The Chinese University of Hong Kong, HKSAR, China; Plant Bioengineering Laboratory, Northeast Agricultural University, Harbin, China; Changchun University of Chinese Medicine, Changchun, China
- 杂志
- Planta Med（2011）
- DOI
- 10.1055/s-0030-1250744
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究不同化学型（chemotype）的黄花蒿（Artemisia annua）在茉莉酸甲酯（MeJA）诱导下，其萜类代谢谱（尤其是青蒿素及其前体）和青蒿素生物合成通路基因表达的差异性响应，以及代谢通量调控机制。
研究策略
以两种不同化学型的黄花蒿为材料，外源喷施100 μM MeJA，结合GC-MS代谢物 profiling和实时荧光定量RT-PCR基因表达分析，比较两种化学型在处理前后青蒿素、青蒿酸、二氢青蒿酸、角鲨烯等多种萜类代谢物含量及通路基因转录水平的动态变化。
核心内容
本研究以两种不同化学型的黄花蒿为材料，通过外源喷施100 μM茉莉酸甲酯（MeJA），结合GC-MS代谢物谱分析和实时荧光定量RT-PCR基因表达分析，系统比较了两种化学型在处理前后青蒿素及其前体、角鲨烯等多种萜类代谢物含量与青蒿素生物合成通路基因转录水平的动态变化。结果显示两种化学型对MeJA表现出截然相反的代谢响应：Type I植物中二氢青蒿酸含量增加1.88倍（23.57对12.51），青蒿素增加1.48倍（4.53对3.07），通路基因ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1等被协同上调，但CPR转录不变；Type II植物中青蒿素降至0.63倍，青蒿酸降至0.47倍，多数基因下调，仅ALDH1在6小时被诱导上调。两种化学型的角鲨烯均显著上升（Type I增加4.01倍，Type II增加11.64倍），石竹烯和德国烯D亦增加。结果表明青蒿素和萜类代谢通量受化学型依赖性调控，青蒿素生物合成中可能存在其他尚未鉴定的限速酶或替代电子供体蛋白，ALDH1可能具有底物宽泛性，在MeJA诱导的醛类解毒中发挥额外作用。
创新点
首次系统比较了两个黄花蒿化学型对MeJA诱导的差异性代谢响应，并将代谢物谱变化与通路基因转录水平关联；发现CPR（细胞色素P450还原酶）转录在Type I植物中不变，提出可能存在其他化学型特异性的电子供体蛋白。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FDP形成amorpha-4,11-diene，是青蒿素合成的第一步限速反应 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶CYP71AV1 | 催化 | 氧化amorpha-4,11-diene生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 青蒿素生物合成途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 调控 | 为CYP71AV1提供电子，但在Type I植物中转录水平不变 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)双键还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛转化为二氢青蒿醛 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化青蒿醛和二氢青蒿醛氧化为相应酸，在Type II中受MeJA上调 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 萜类代谢 | — | 角鲨烯合酶（推测） | 催化 | MeJA诱导角鲨烯大量积累，可能作为单线态氧淬灭剂 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 倍半萜生物合成 | — | 石竹烯合酶（推测） | 催化 | MeJA诱导石竹烯积累，防御相关 |
| 黄花蒿（Artemisia annua L.） | 倍半萜生物合成 | — | 德国烯D合酶（推测） | 催化 | MeJA诱导德国烯D积累，抗菌/杀虫相关 |
关键发现
- Type I植物经MeJA处理后，二氢青蒿酸含量增加1.88倍（23.57±2.12 vs
- 51±1.09），青蒿素增加1.48倍（4.53±0.61 vs
- 07±0.63）；Type II植物中青蒿素降至0.63倍（1.25±0.13 vs
- 97±0.21），青蒿酸降至0.47倍（7.82±0.67 vs
- 65±1.59）。两种化学型的角鲨烯均显著上升，Type I增加4.01倍（2.04±0.29 vs
- 52±0.07），Type II增加11.64倍（6.52±0.53 vs
- 56±0.07）。石竹烯和德国烯D亦增加（p<0.001）。实时RT-PCR显示Type I中ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1等大部分通路基因被MeJA协同上调，但CPR转录不变；Type II中大多数基因下调，唯独ALDH1在6小时被诱导上调。
研究结论
两种黄花蒿化学型对MeJA表现出截然不同的代谢响应，表明青蒿素和萜类代谢通量受化学型依赖性调控。青蒿素生物合成中可能存在其他尚未鉴定的限速酶或替代电子供体蛋白；ALDH1可能具有底物宽泛性，在MeJA诱导的醛类解毒中起额外作用。