RNAi down-regulation of cinnamate-4-hydroxylase increases artemisinin biosynthesis in Artemisia annua
- 作者
- Ritesh Kumar, Divya Vashisth, Amita Misra, Md Qussen Akhtar, Syed Uzma Jalil, Karuna Shanker, Madan Mohan Gupta, Prashant Kumar Rout, Anil Kumar Gupta, Ajit Kumar Shasany
- 单位
- CSIR-Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants
- 杂志
- Scientific Reports（2016）
- DOI
- 10.1038/srep26458
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过调控苯丙烷/木质素途径提高青蒿素生物合成产量
研究策略
利用RNAi技术沉默青蒿中肉桂酸-4-羟化酶（AaC4H）基因，阻断肉桂酸向对香豆酸的转化，造成反式肉桂酸积累，进而通过苯甲酸/水杨酸信号通路诱导青蒿素生物合成
核心内容
该研究通过RNAi技术沉默青蒿中的肉桂酸-4-羟化酶基因（AaC4H），阻断苯丙烷途径中肉桂酸向对香豆酸的转化，从而探索提升青蒿素产量的新策略。酵母异源表达表明AaC4H对反式肉桂酸的Km为6.4 μM，Vmax为0.029 mM min⁻¹ mg⁻¹。在RNAi沉默株系中，反式肉桂酸显著积累，而对香豆酸、总酚及花青素含量降低，同时PAL和C4H活性下降；约40%的腺毛长度明显减小。值得注意的是，沉默株系中水杨酸和青蒿素含量均增加，且植株提前一个月开花。外源饲喂反式肉桂酸可进一步促进青蒿素积累，而饲喂对香豆酸无此效果，表明反式肉桂酸作为信号分子通过苯甲酸/水杨酸通路激活青蒿素合成。该研究首次实验证实苯丙烷/木质素途径与青蒿素生物合成途径间的调控联系，为通过代谢工程改造苯丙烷途径提高青蒿产量提供了新思路。
创新点
首次在实验上证明苯丙烷/木质素途径与青蒿素生物合成途径之间存在联系；通过RNAi下调C4H基因显著提高青蒿素含量；揭示反式肉桂酸作为信号分子通过水杨酸途径调控青蒿素合成的机制
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 苯丙烷/木质素生物合成途径 | AaC4H | Cinnamate-4-hydroxylase | 催化 | 催化反式肉桂酸转化为对香豆酸；RNAi沉默导致反式肉桂酸积累 |
| Artemisia annua | 苯丙烷/木质素生物合成途径 | PAL | Phenylalanine ammonia lyase | 催化 | 苯丙氨酸脱氨酶；在RNAi株系中活性显著降低 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | AaCYP71AV1 | Cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 青蒿素生物合成关键酶；转录水平受反式肉桂酸诱导上调 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | AaCPR | Cytochrome P450 reductase | 催化 | 为C4H等细胞色素P450酶提供电子；异源表达后活性提高3-4倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷/木质素生物合成途径 | AaC4H, AaCPR | Cinnamate-4-hydroxylase, Cytochrome P450 reductase | 催化 | 在酵母中异源表达用于酶学表征 |
关键发现
- AaC4H对反式肉桂酸的Km为6.4 μM，Vmax为0.029 mM min⁻¹ mg⁻¹
- 在RNAi沉默株系中，约40%的腺毛长度显著减小
- 反式肉桂酸积累，对香豆酸、总酚、花青素含量降低
- PAL和C4H活性降低
- 水杨酸和青蒿素含量增加
- RNAi株系提前一个月开花
- 饲喂反式肉桂酸可进一步提高青蒿素含量，而饲喂对香豆酸无此效果
研究结论
AaC4H的RNAi沉默通过积累反式肉桂酸，促进苯甲酸和水杨酸合成，进而激活青蒿素生物合成途径，提高青蒿素产量；该研究为通过代谢工程改造苯丙烷途径提升青蒿素含量提供了新策略