Expression of key genes affecting artemisinin content in five Artemisia species
- 作者
- Maryam Salehi, Ghasem Karimzadeh, Mohammad Reza Naghavi, Hassanali Naghdi Badi, Sajad Rashidi Monfared
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-31079-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究除青蒿（A. annua）外的几种蒿属植物青蒿素含量较低的分子原因，特别是与青蒿素生物合成竞争同一底物FDP的萜烯合酶、转录因子和转运蛋白基因的表达与青蒿素积累及腺毛性状的关系。
研究策略
选取五种青蒿素含量不同的蒿属植物（S1-S5），通过qPCR检测六个萜烯合酶基因（Aa-ECS、Aa-CPS、Aa-GAS、Aa-BFS、Aa-ADS、Aa-SQS）、三个转录因子基因（Aa-ORA、Aa-ERF1、Aa-WRKY1）和两个ABC转运蛋白基因（Aa-ABCG6、Aa-ABCG7）的相对表达量，并结合青蒿素含量、腺毛密度、染色体倍性、2C DNA含量及腺毛大小等细胞学特征进行综合分析。
核心内容
该研究选取五种青蒿素含量差异显著的蒿属植物，通过qPCR检测六个萜烯合酶基因、三个转录因子基因和两个ABC转运蛋白基因的相对表达量，并结合腺毛密度、染色体倍性及2C DNA含量等细胞学特征，系统探究了青蒿素积累的分子决定因素。结果显示，产青蒿素最高的伊朗产青蒿（S1）含量达6.60 mg g−1 DW，而沙漠蒿（S4）虽具有最高的Aa-ADS（3.33倍）、Aa-CPS（77.81倍）和Aa-GAS（75.29倍）相对表达量及更大的腺毛，但因竞争性分支途径分流，青蒿素含量反而略低（5.13 mg g−1 DW）。青蒿素含量与腺毛密度无显著相关性（r=0.25），说明腺毛数量并非产量限制因素。S4中Aa-ORA表达为S1的71.90倍，提示该转录因子可能将代谢流导向青蒿酸而非青蒿素，下调Aa-ORA或可促进青蒿素积累。此外，Aa-ABCG6可能参与腺毛发育而非前体转运。S4较大的基因组（2C DNA为S1的3.48倍）与高转录水平及腺毛增大相关，研究为通过阻断分支途径和调控转录因子提高青蒿素产量提供了新靶点。
创新点
首次系统比较了多个蒿属物种中与FDP竞争相关的萜烯合酶基因、转录因子和转运蛋白的表达；提出Aa-ORA可能调控Aa-ALDH1和Aa-CYP71AV1启动子，下调Aa-ORA可引导代谢流更多流向青蒿素而非青蒿酸；发现Aa-ABCG6转运蛋白可能参与腺毛发育而非青蒿素前体运输。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成 | Aa-ADS | amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 在S4中相对表达为S1的3.33倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 倍半萜分支合成 | Aa-CPS | β-caryophyllene synthase | 催化 | 在S4中相对表达为S1的77.81倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 倍半萜分支合成 | Aa-GAS | germacrene A synthase | 催化 | 在S4中相对表达为S1的75.29倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 倍半萜分支合成 | Aa-BFS | β-farnesene synthase | 催化 | 在S5中相对表达为S1的77.36倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 倍半萜分支合成 | Aa-ECS | epi-cedrol synthase | 催化 | — |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 甾醇/三萜生物合成 | Aa-SQS | squalene synthase | 催化 | 在S5中相对表达为S1的6.70倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成调控 | Aa-ORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 在S4中相对表达为S1的71.90倍；推测调控ALDH1和CYP71AV1 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成调控 | Aa-ERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 在S4中相对表达为S1的2.38倍，S3中为1.46倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成调控 | Aa-WRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 在S4中相对表达为S1的0.49倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素转运/腺毛发育 | Aa-ABCG6 | ABC转运蛋白 | 转运 | 可能参与腺毛角质层发育；S2中相对表达为S1的0.57倍，S3/S4/S5高于S1 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素转运/腺毛发育 | Aa-ABCG7 | ABC转运蛋白 | 转运 | 表达模式与Aa-ADS和Aa-CYP平行 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成 | Aa-ALDH1 | aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 与Aa-ORA表达模式相似；此前研究显示S4中ALDH1相对转换潜力比DBR2高112倍 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成 | Aa-DBR2 | artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 在S4中低表达，与ALDH1竞争同一中间产物 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成 | Aa-CYP71AV1 | amorpha-diene-12-hydroxylase | 催化 | 与Aa-ORA表达模式相似 |
| Artemisia spp. (S1-S5) | 青蒿素生物合成 | Aa-CPR | cytochrome P450 reductase | 催化 | 用作qPCR参考基因 |
关键发现
- 五种蒿属植物中，S1（伊朗产A. annua）青蒿素含量最高（6.60 mg g−1 DW），S4（A. deserti）为5.13 mg g−1 DW，S5为3.50 mg g−1 DW，S3为0.96 mg g−1 DW，S2无青蒿素。腺毛密度以S5最高（121 No. mm−2），S4为100 No. mm−2，S3为58 No. mm−2，S1为19 No. mm−2，S2为4 No. mm−2，青蒿素含量与腺毛密度无显著相关（r=0.25 ns）。S4中Aa-ADS、Aa-CPS和Aa-GAS相对表达分别是S1的3.33、77.81和75.29倍
- S5中Aa-BFS为77.36倍、Aa-SQS为6.70倍
- S3中Aa-CPS、Aa-GAS和Aa-BFS分别为1.35、9.87和11.78倍
- S2中Aa-CPS为4.64倍。S4中转录因子Aa-ORA、Aa-ERF1、Aa-WRKY1相对表达分别为S1的71.90、2.38和0.49倍
- S3中Aa-ERF1为1.46倍，S5中Aa-ORA为1.2倍。S2中Aa-ABCG6表达为S1的0.57倍，S3/S4/S5的Aa-ABCG6表达高于S1。细胞学分析表明S1-S4为二倍体（2n=18），S5为四倍体（2n=36）
- 2C DNA含量S1为4.02 pg，S4为13.99 pg（S4为S1的3.48倍），S4腺毛大小为S1的3.46倍，单倍体基因组大小与腺毛面积显著正相关（r=0.87**）。
研究结论
A. deserti（S4）具有很高的Aa-ADS、Aa-CPS和Aa-GAS转录水平以及更大的腺毛，但青蒿素含量略低于A. annua（S1），推测其代谢流部分流向了分支途径，阻断Aa-CPS和Aa-GAS可能提高青蒿素产量；Aa-ORA可能正向调控Aa-ALDH1和Aa-CYP71AV1，下调Aa-ORA可使更多代谢流从青蒿酸转向青蒿素；Aa-ABCG6转运蛋白可能参与腺毛发育而非青蒿素前体运输；S4的高转录水平和较大腺毛可能与其更大的基因组（2C DNA为S1的3.48倍）有关。