青蒿素生物合成分子机制及调控研究进展
- 作者
- 谭何新,肖玲,周正,张磊,陈万生
- 单位
- 第二军医大学药学院药用植物学教研室；第二军医大学附属长征医院药学部
- 杂志
- 中国中药杂志（2017）
- DOI
- 10.19540/j.cnki.cjcmm.20161222.019
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素需求量巨大但供应紧缺，黄花蒿中青蒿素含量低且变异大，急需提高产量、降低成本
研究策略
系统综述青蒿素生物合成途径、代谢酶基因调控、竞争支路抑制、转录因子调控、植物激素调控及腺毛发育调控等策略，并展望以腺毛为靶标的代谢工程新途径
核心内容
该文系统综述了黄花蒿中青蒿素生物合成的分子机制及其代谢工程调控策略。研究围绕青蒿素含量低、供应紧缺的核心问题，从上游MVA与MEP途径、下游青蒿素特异合成步骤、竞争支路抑制、转录因子及激素调控、腺毛发育等多个层面展开论述。通过归纳大量基因操作案例，发现单基因过表达如HMGR可使青蒿素提高22.5%至38.9%，FPS过表达提高2至3倍；多基因共表达效果更为显著，HMGR与ADS共表达提高7.65倍，FPS/CYP71AV1/CPR共表达提高3.6倍。利用RNAi抑制竞争支路SQS基因后，青蒿素含量可达31.4 mg·g⁻¹干重，约为对照的3.14倍，抑制CPS则提高54.9%。此外，过表达转录因子AaWRKY1使青蒿素达19 mg·g⁻¹干重，约为对照1.9倍；外源茉莉酸甲酯和ABA处理也分别可提高49%和74%至95%。该综述明确指出，青蒿素上游合成途径已较清楚，下游仍存争议；单基因或多基因过表达、竞争支路抑制、转录因子调控和激素处理均能有效提升产量，而调控分泌型腺毛发育作为青蒿素合成与储存的场所，被视为极具潜力的新靶标，为后续代谢工程改良提供了系统思路与关键数据支撑。
创新点
全面总结多基因共表达、RNAi阻断竞争支路、多种转录因子和激素信号在青蒿素增产中的应用，提出调控腺毛发育可作为提高青蒿素产量的新策略
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 甲羟戊酸(MVA)途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达使青蒿素产量提高22.5%~38.9% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成上游途径 | FPS | 法呢基焦磷酸合成酶 | 催化 | 过表达使青蒿素产量提高2~3倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 甲基赤藓醇-4-磷酸(MEP)途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达使青蒿素产量提高1.21~2.35倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成下游途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合成酶 | 催化 | 过表达使青蒿素、青蒿酸、二氢青蒿酸含量分别提高82%、65%、59% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成下游途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 与CPR共表达提高青蒿素产量38% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成下游途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 辅助CYP71AV1催化氧化反应，与CYP71AV1共表达提高产量 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成下游途径 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量最高达非转化对照的2.83倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成下游途径 | ALDH1 | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量最高达25.6 mg·g^-1干重，为对照的3.2倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 甾醇生物合成途径（竞争支路） | SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | RNAi抑制后青蒿素含量达31.4 mg·g^-1干重，为非转基因植株的3.14倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 倍半萜生物合成（竞争支路） | CPS | β-石竹烯合成酶 | 催化 | 抑制表达后β-石竹烯降低40%~60%，青蒿素提高54.9% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 过表达使青蒿素含量达19 mg·g^-1干重，为对照的1.9倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 过表达使青蒿素和二氢青蒿酸分别提高40%~53%和22%~35% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 可与ADS和CYP71AV1启动子上的CBF2/RAA结构域结合，正调控青蒿素合成 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 与AaERF1功能相似，正调控青蒿素及青蒿酸含量 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 腺毛发育与青蒿素生物合成 | AaTAR1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 调控腺毛发育及ADS/CYP71AV1表达，过表达时这两个基因上调上千倍 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaZIP1 | bZIP转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子上的ABRE结构域，激活表达，受ABA诱导 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaBHLH1 | bHLH转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子上的E-box元件，正向调控青蒿素合成 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 青蒿素生物合成调控 | AaMYC2 | bHLH转录因子 | 调控 | 结合CYP71AV1和DBR2启动子上的G-box元件，响应茉莉酸，增强灰霉菌抗性 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 茉莉酸信号途径 | AaAOC | 丙二烯氧化物环化酶 | 催化 | 过表达使茉莉酸含量达对照2~4.7倍，青蒿素含量提高87.9% |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | ABA信号途径 | AaPYL9 | ABA受体 | 调控 | 过表达后ABA诱导使青蒿素含量增加74%~95%，增强干旱耐受性 |
| 黄花蒿(Artemisia annua) | 光信号通路 | CRY1 | 隐花色素1 | 调控 | 来自拟南芥，过表达使青蒿素含量提高30%~40%，同时提高花青素积累 |
关键发现
- 青蒿素含量占干重的0.1%~0.8%
- 过表达HMGR提高22.5%~38.9%
- 过表达FPS提高2~3倍
- 过表达DXR提高1.21~2.35倍
- 过表达ADS使青蒿素、青蒿酸、二氢青蒿酸分别提高82%、65%、59%
- 过表达DBR2最高提高2.83倍
- 过表达ALDH1最高达25.6 mg·g^-1干重（对照8 mg·g^-1，3.2倍）
- CYP71AV1/CPR共表达提高38%
- FPS/CYP71AV1/CPR共表达提高3.6倍
- ADS/CYP71AV1/CPR共表达达15.1 mg·g^-1干重，为对照2.4倍
- HMGR/ADS共表达提高7.65倍
- HMGR/FPS共表达提高1.8倍
- RNAi抑制SQS使青蒿素达31.4 mg·g^-1干重，为对照3.14倍
- 抑制CPS使青蒿素提高54.9%
- 过表达AaWRKY1达19 mg·g^-1干重，为对照1.9倍
- 过表达AaORA使青蒿素提高40%~53%
- 过表达AaTAR1使ADS、CYP71AV1表达上调上千倍
- 外源茉莉酸甲酯提高49%
- 过表达AaAOC提高87.9%
- ABA诱导提高74%~95%
- 过表达CRY1提高30%~40%
研究结论
青蒿素生物合成上游途径已较清楚，下游仍存争议；通过单/多基因过表达、抑制竞争支路、转录因子调控和激素处理均可提高青蒿素含量；分泌型腺毛是青蒿素合成和储存的场所，调控腺毛发育是提高产量的有效且具潜力的手段