Differential effects of biologically and chemically synthesized copper oxide nanoparticles on artemisinin biosynthesis gene expression in Artemisia absinthium
- 作者
- Sepideh Mahjouri, Rana Madadi Rad, Saeed Jafarirad, Roshanak Tarrahi, Fatemeh Sabaghfartash, Aytak Kiani, Mohammad Firouzandeh Gharehatlou, Sepideh Entezar Faraj, Reyhaneh Bakhshi, Morteza Kosari-Nasab
- 杂志
- Scientific Reports（2026）
- DOI
- 10.1038/s41598-026-38581-w
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素是有效的抗疟化合物，但其在植物中天然产量低，亟需新策略提高其生物合成。本研究旨在探索不同方法（绿色与化学）合成的氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）对Artemisia absinthium中青蒿素生物合成关键基因表达的影响。
研究策略
采用绿色微波辅助合成和常规湿化学还原法分别制备CuO NPs，通过XRD、DLS、FESEM、EDX、FTIR等手段表征；将A. absinthium节点外植体在含2 ppm和4 ppm CuO NPs的MS培养基中培养30天，利用qRT-PCR检测青蒿素生物合成通路中FDS、ADS、CYP71AV1、CPR、DBR2、ALDH1和RED1等基因的表达变化。
研究路线图
核心内容
本研究比较了绿色微波辅助合成与常规湿化学还原法制备的氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）对青蒿（Artemisia absinthium）青蒿素生物合成基因表达的影响。两种NPs经XRD、DLS、FESEM等表征后，分别以2 ppm和4 ppm浓度处理节点外植体30天，通过qRT-PCR检测FDS、ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1及竞争分支基因RED1的表达。结果显示，绿色CuO NPs（4 ppm）使ADS、CYP71AV1、DBR2分别上调2.03、2.00、1.83倍，化学CuO NPs（2 ppm）使三者分别上调2.35、1.86、2.34倍；FDS在两种处理下均上调约1.75倍，而ADS在绿色2 ppm下表达最高，较对照提升2.72倍。竞争基因RED1仅轻微上调1.54倍。绿色NPs粒径更小（10–20 nm）、Zeta电位更高（+53.9 mV），表现出更强的纳米诱导子潜力。该结果表明CuO NPs可通过协同上调前体供给与通路特异基因并有限激活竞争分支来促进青蒿素积累，为纳米技术结合植物组织培养提高药用次生代谢产物产量提供了可行策略。
创新点
首次系统比较生物法（绿色）和化学法合成的CuO NPs对青蒿素生物合成基因表达的影响；发现绿色CuO NPs（4 ppm）和化学CuO NPs（2 ppm）能显著上调多个关键通路基因，且对竞争性分支基因RED1的诱导较弱；证明绿色合成CuO NPs具有更强的纳米诱导子潜力，为植物组织培养结合纳米技术提高药用次生代谢产物提供了新途径。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径（MVA/MEP途径） | FDS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸（FDP）前体合成 |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化形成amorpha-4,11-diene |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化amorpha-4,11-diene的连续氧化 |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 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，参与氧化还原反应 |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛Delta(11(13))还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸 |
| Artemisia absinthium 节点外植体（MS培养基） | 青蒿素生物合成途径（竞争性分支） | RED1 | 二氢青蒿醛还原酶 | 催化 | 催化二氢青蒿醛还原为无用的醇类衍生，分流代谢流 |
关键发现
- 绿色合成CuO NPs（4 ppm）处理使ADS、CYP71AV1、DBR2分别上调2.03、2.00、1.83倍；化学合成CuO NPs（2 ppm）处理使ADS、CYP71AV1、DBR2分别上调2.35、1.86、2.34倍。FDS在绿色4 ppm和化学2 ppm处理下表达水平分别达到2.80±0.06和2.82±0.02，较对照上调1.75倍和1.76倍。ADS在绿色2 ppm下表达最高，从对照的1.20±0.06增至3.27±0.09（2.72倍）。ALDH1在绿色4 ppm和化学2 ppm下分别上调1.73倍和1.34倍。CPR上调幅度较小，绿色4 ppm和化学2 ppm分别为1.50倍和1.65倍。RED1（竞争性分支基因）仅轻微上调，绿色4 ppm和化学2 ppm均为1.54倍。纳米颗粒表征：绿色CuO FESEM粒径10-20 nm，DLS水合粒径19 nm，PDI
- 562，Zeta电位+53.9 mV；化学CuO FESEM粒径12-16 nm，DLS水合粒径53 nm，PDI
- 927，Zeta电位-33.8 mV。
研究结论
CuO NPs，特别是绿色合成的CuO NPs，可作为有效的纳米诱导子，通过上调前体供给基因（FDS）和通路特异基因（ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1）并有限诱导竞争基因（RED1），促进青蒿素生物合成。4 ppm绿色CuO NPs和2 ppm化学CuO NPs为最有效处理。该研究展示了纳米技术与植物组织培养结合可持续提高药用植物次生代谢产物产量的潜力。