TRICHOME AND ARTEMISININ REGULATOR 1 Is Required for Trichome Development and Artemisinin Biosynthesis in Artemisia annua L.
- 作者
- Hexin Tan, Ling Xiao, Shouhong Gao, Qing Li, Junfeng Chen, Ying Xiao, Qian Ji, Ruibing Chen, Wansheng Chen, Lei Zhang
- 单位
- Department of Pharmaceutical Botany, School of Pharmacy, Second Military Medical University, Shanghai 200433, China; Department of Pharmacy, Changzheng Hospital, Second Military Medical University, Shanghai 200003, China
- 杂志
- Molecular Plant（2015）
- DOI
- 10.1016/j.molp.2015.04.002
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素生物合成及其产生器官腺毛（尤其是分泌型腺毛GSTs）发育的分子调控机制尚不清楚，缺乏调控这些过程的关键转录因子。
研究策略
从转录组数据库中筛选候选AP2转录因子TAR1，通过克隆、亚细胞定位、表达模式分析、RNAi沉默和过表达研究其功能，并利用EMSA、酵母单杂交和瞬时表达GUS实验验证其对青蒿素合成关键酶基因的直接调控作用。
核心内容
本研究从青蒿转录组数据库中筛选并克隆了一个新的AP2/ERF转录因子TAR1，系统分析了其调控青蒿素生物合成与腺毛发育的功能。通过亚细胞定位、表达模式分析、RNAi沉默和过表达实验，发现TAR1定位于细胞核，其沉默导致青蒿素含量降低39%–64%，青蒿酸降低45%–75%，同时分泌型腺毛结构异常（细胞数减少、顶端膨胀），叶片蜡质含量下降25.67%；而过表达则使叶片青蒿素含量增加22%–38%，花蕾中增加34%–57%，青蒿酸最高增加164%，TAR1转录水平提高12–23倍。机制层面，EMSA、酵母单杂交和瞬时表达GUS实验证明TAR1可直接结合ADS和CYP71AV1启动子上的CBF2和RAA顺式元件并激活其转录。结果表明TAR1是青蒿素合成与腺毛发育的关键正调控因子，为通过转录因子工程提高青蒿素产量提供了重要靶点。
创新点
首次报道AP2转录因子TAR1同时调控青蒿腺毛发育和青蒿素生物合成；证明TAR1直接结合ADS和CYP71AV1启动子上的CBF2和RAA顺式元件并激活其表达。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | TAR1 | TAR1 (TRICHOME AND ARTEMISININ REGULATOR 1) | 调控 | AP2/ERF转录因子，定位细胞核，调控腺毛发育和青蒿素合成，直接结合ADS和CYP71AV1启动子 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | Amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸(FPP)环化生成amorpha-4,11-二烯，青蒿素生物合成第一个特异步骤 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶（紫穗槐-4,11-二烯-12-羟化酶） | 催化 | 催化amorpha-4,11-二烯三步氧化生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 青蒿醛Δ-11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛生成二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子 |
| Artemisia annua | MVA/MEP途径 | HMGR, DXS, DXR, FPS | HMGR、DXS、DXR、FPS等 | 催化 | 青蒿素前体IPP和FPP的合成相关酶 |
| Artemisia annua | 蜡质合成 | TFAR | 毛状体特异的脂肪酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化C24和C26脂肪醇的合成，TAR1沉默时表达下降 |
| Artemisia annua | 三萜合成 | OSC2 | 氧化角鲨烯环化酶 | 催化 | 参与β-amyrin合成，TAR1沉默时表达上升 |
| Artemisia annua | 三萜合成 | CYP716A14v2 | 细胞色素P450依赖的单加氧酶 | 催化 | 参与α/β-amyron合成，TAR1沉默时表达下降 |
关键发现
- TAR1-RNAi株系中青蒿素含量降低39%-64%，青蒿酸（AA）降低45%-75%，二氢青蒿酸（DHAA）降低33%-72%
- TAR1过表达株系叶片中青蒿素含量增加22%-38%，花蕾中增加34%-57%，DHAA增加69%-130%，AA增加28%-164%
- TAR1过表达株系中TAR1转录水平提高12-23倍，ADS表达增加数十倍，CYP71AV1表达增加数千倍
- TAR1-RNAi叶片总蜡质含量平均为6.35 mg/g，较野生型8.55 mg/g降低25.67%，其中烷烃降低28.32%、脂肪酸降低23.20%
- TAR1蛋白定位于细胞核
- TAR1-RNAi植株的GSTs出现异常膨胀顶端，细胞数从正常的10个（含2个柄细胞）变为8个（含2个柄细胞），TNGs异常延长扭曲
- TAR1可直接结合GCC-box、CBF2和RAA元件。
研究结论
TAR1是一个关键的AP2/ERF转录因子，正调控青蒿素生物合成、角质层蜡质积累以及腺毛和T型非腺毛的发育，其通过直接激活ADS和CYP71AV1的表达参与青蒿素合成的转录调控网络，为青蒿素产量工程改良提供了重要靶点。