Effects of overexpression of AaWRKY1 on artemisinin biosynthesis in transgenic Artemisia annua plants
- 作者
- Junli Han, Hongzhen Wang, Anneli Lundgren, Peter E. Brodelius
- 单位
- Department of Chemistry and Biomedical Sciences, Linnaeus University, SE-38192 Kalmar, Sweden
- 杂志
- Phytochemistry（2014）
- DOI
- 10.1016/j.phytochem.2014.02.011
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素在青蒿中含量低（0.01%~1.0%干重），导致青蒿素类药物成本高，亟需提高青蒿素产量。
研究策略
从青蒿重庆变种中克隆转录因子AaWRKY1，分别用组成型CaMV35S启动子和毛状体特异性CYP71AV1启动子驱动其在转基因青蒿中稳定过表达，通过比较不同表达模式对青蒿素合成途径基因转录及代谢产物积累的影响，解析AaWRKY1的调控作用。
核心内容
为提高青蒿中青蒿素含量，该研究从青蒿重庆变种中克隆了转录因子AaWRKY1，并分别以组成型CaMV35S启动子和毛状体特异性CYP71AV1启动子驱动其在转基因青蒿中稳定过表达，比较两种表达模式对青蒿素合成途径的调控效果。结果表明，CaMV35S启动子驱动的AaWRKY1转录水平提高超过100倍，而CYP71AV1启动子驱动下提高约40倍。然而在代谢调控层面，毛状体特异性过表达使CYP71AV1转录水平最高提升约32倍（CYP-4系），青蒿素含量达到野生型的1.9倍，DBR2转录水平也提高1.8倍；相比之下，组成型过表达仅使CYP71AV1转录提高约4倍。FDS、ADS和DBR2的转录水平在多数转基因系中无明显变化，ALDH1未被检测到表达。该研究首次在稳定转基因青蒿中直接比较两种启动子的效果，证明AaWRKY1主要通过特异性激活CYP71AV1转录来促进青蒿素合成，毛状体特异性过表达是优于组成型过表达的精准代谢工程策略。
创新点
首次在稳定转基因青蒿中直接比较组成型与毛状体特异性过表达AaWRKY1的效果，证明毛状体特异性过表达能更有效地激活CYP71AV1转录并提高青蒿素含量，为青蒿素代谢工程提供了更精准的策略。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua（青蒿） | 青蒿素生物合成途径 | AaWRKY1 | AaWRKY1 | 调控 | 转录因子，属于WRKY家族Group III，过表达后激活CYP71AV1转录。 |
| Artemisia annua（青蒿） | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | amorph-4,11-二烯12-羟化酶 | 催化 | 细胞色素P450酶，催化青蒿素生物合成中amorph-4,11-二烯的氧化，其启动子用于毛状体特异性表达AaWRKY1。 |
| Artemisia annua（青蒿） | 萜类代谢途径/青蒿素前体合成 | FDS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸合成，过表达AaWRKY1后转录水平无显著变化。 |
| Artemisia annua（青蒿） | 青蒿素生物合成途径 | ADS | amorph-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸环化生成amorph-4,11-二烯，过表达AaWRKY1后转录水平无显著变化。 |
| Artemisia annua（青蒿） | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛，过表达AaWRKY1后多数系无显著变化，但CYP-4系中提高1.8倍。 |
| Artemisia annua（青蒿） | 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，qPCR中未检测到有效表达。 |
关键发现
- 转基因植株中AaWRKY1转录水平在CaMV35S启动子下提高超过100倍，在CYP71AV1启动子下提高约40倍
- 毛状体特异性过表达AaWRKY1使CYP71AV1转录水平最高提高约32倍（CYP-4系），而组成型过表达仅提高约4倍
- CYP-4系中青蒿素含量约为野生型的1.9倍，同时DBR2转录水平提高1.8倍
- FDS、ADS、DBR2的转录水平在多数转基因系中无明显变化
- ALDH1在qPCR中未检测到表达。
研究结论
AaWRKY1通过特异性地激活CYP71AV1的转录来促进青蒿素生物合成，毛状体特异性过表达AaWRKY1是提高青蒿素含量的有效策略，其效果优于组成型过表达。