Senescent Leaves of Artemisia annua are One of the Most Active Organs for Overexpression of Artemisinin Biosynthesis Responsible Genes upon Burst of Singlet Oxygen
- 作者
- Rui-Yi Yang, Xiao-Mei Zeng, Yuan-Yuan Lu, Wen-Jie Lu, Li-Ling Feng, Xue-Qin Yang, Qing-Ping Zeng
- 单位
- Laboratory of Biotechnology, Tropical Medicine Institute, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou, P.R. China; Laboratory of Pharmacology, Tropical Medicine Institute, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou, P.R. China; Artemisinin Research Center, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou, P.R. China
- 杂志
- Planta Med（2010）
- DOI
- 10.1055/s-0029-1240620
- 所属领域
- 植物代谢工程/合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析青蒿（Artemisia annua）中组织特异性和环境诱导的萜类生物合成基因表达模式，特别是衰老叶片中单线态氧爆发与青蒿素生物合成基因上调之间的关系。
研究策略
对青蒿不同器官和发育阶段的MVA途径与质体非MVA途径的多个生物合成基因进行mRNA和酶水平定量分析，并检测衰老叶片的单线态氧释放，以及施加物理/化学胁迫处理观察基因诱导表达。
核心内容
该研究系统解析了青蒿各器官和发育阶段中青蒿素生物合成相关基因的表达模式，发现衰老叶片是这些基因最活跃的器官。通过对MVA途径与非MVA途径中多个关键酶基因进行mRNA和酶水平定量分析，发现DBR2 mRNA是最丰富的转录本，在九月各器官中最大水平达5×10⁻⁵，分别比CYP71AV1、ADS和CPR mRNA高90、13和5倍。在衰老叶片中，CYP71AV1、ADS、DBR2 mRNA分别比绿色叶片升高51.2、25.5和14.8倍，DBR2和ADS mRNA分别达到40×10⁻⁵和10×10⁻⁵；同时SS、HMGR、FDS、DXR、DXS mRNA也分别增加11.2、7.8、3.7、18.5和11.1倍，ADS、CYP71AV1、CPR酶浓度约增加2倍。物理胁迫实验显示水涝或复水使DBR2 mRNA升高13.8或38.2倍，酵母提取物使其升高20.7倍；低温使ADS mRNA升高35.6倍。单线态氧检测显示衰老叶片比绿色叶片释放更多单线态氧，表明衰老诱导的单线态氧爆发与青蒿素生物合成基因上调之间存在直接联系。该研究提出DHAA作为单线态氧清除剂转化为青蒿素的机制，建立了衰老耦合单线态氧产生与青蒿素基因上调之间的缺失环节，为通过调控衰老或氧化胁迫信号提升青蒿素产量提供了理论基础。
创新点
发现衰老叶片是青蒿素生物合成基因最活跃的器官；证明衰老诱导的单线态氧爆发与青蒿素生物合成基因上调之间存在联系；提出DHAA作为单线态氧清除剂转化为青蒿素的机制。
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) | MVA途径 | HMGCR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶，mRNA水平在衰老叶片中升高7.8倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | MVA途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | FDS基因，衰老叶片中mRNA升高3.7倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | 倍半萜/青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸环化生成紫穗槐-4,11-二烯；衰老叶片mRNA升高25.5倍，低温诱导升高35.6倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 氧化紫穗槐二烯生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸；衰老叶片mRNA升高51.2倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子；衰老叶片mRNA升高14.8倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | Δ11(13)双键还原酶2 | 催化 | 还原青蒿醛C11-C13双键生成二氢青蒿酸；所有器官中最丰富转录本，衰老叶片mRNA最高达40×10^-5 |
| Artemisia annua (青蒿) | 非MVA途径(DXP途径) | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 质体途径关键酶，衰老叶片mRNA升高11.1倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | 非MVA途径(DXP途径) | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 质体途径关键酶，衰老叶片mRNA升高18.5倍 |
| Artemisia annua (青蒿) | MVA途径/甾醇合成 | SS/SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | 参与甾醇分支，衰老叶片mRNA升高11.2倍 |
关键发现
- DBR2 mRNA是最丰富的转录本，在九月各器官中最大水平为5×10^-5，比CYP71AV1、ADS、CPR mRNA分别高90、13、5倍
- 在衰老叶片中，CYP71AV1、ADS、DBR2 mRNA分别比绿色叶片升高51.2、25.5、14.8倍，DBR2和ADS mRNA分别达到40×10^-5和10×10^-5
- SS、HMGR、FDS mRNA分别增加11.2、7.8、3.7倍，DXR、DXS mRNA分别增加18.5、11.1倍
- 衰老叶片中ADS、CYP71AV1、CPR酶浓度约增加2倍
- 物理胁迫中，水涝或复水使DBR2 mRNA升高13.8倍或38.2倍，低温和UV使DBR2升高2或4倍，酵母提取物使DBR2升高20.7倍
- ADS mRNA在低温和UV下升高35.6和14.2倍
- 单线态氧检测显示衰老叶片比绿色叶片释放更多单线态氧。
研究结论
青蒿素积累是器官特异、季节依赖，更准确地说是单线态氧诱导的；研究重新建立了连接衰老耦合单线态氧产生与青蒿素生物合成基因上调的缺失环节，为青蒿素产量提升提供基础。