A Basic Leucine Zipper Transcription Factor, AabZIP1, Connects Abscisic Acid Signaling with Artemisinin Biosynthesis in Artemisia annua
- 作者
- Fangyuan Zhang, Xueqing Fu, Zongyou Lv, Xu Lu, Qian Shen, Ling Zhang, Mengmeng Zhu, Guofeng Wang, Xiaofen Sun, Zhihua Liao, Kexuan Tang
- 单位
- Key Laboratory of Urban Agriculture (South) Ministry of Agriculture, Plant Biotechnology Research Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; SWU-TAAHC Medicinal Plant Joint R&D Centre, School of Life Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China
- 杂志
- Molecular Plant（2015）
- DOI
- 10.1016/j.molp.2014.12.004
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
ABA信号调控青蒿素生物合成的具体分子机制尚不清楚，特别是缺乏将ABA信号与青蒿素合成关键基因直接联系起来的转录因子。
研究策略
通过全局表达谱分析、系统发育分析和双荧光素酶筛选，从145个bZIP转录因子中鉴定出可能参与ABA调控的AabZIP1；利用酵母单杂交、EMSA、双LUC等实验验证其与ADS和CYP71AV1启动子中ABRE元件的结合；在青蒿中过表达AabZIP1验证其促进青蒿素积累的功能。
核心内容
该研究通过解析脱落酸（ABA）信号调控青蒿素生物合成的分子机制，鉴定出关键转录因子AabZIP1。研究人员从青蒿中145个bZIP转录因子家族成员出发，结合表达谱分析和双荧光素酶筛选，发现AabZIP1能结合并激活青蒿素合成关键酶基因ADS和CYP71AV1的启动子。酵母单杂交、EMSA和双LUC实验进一步证实AabZIP1直接作用于启动子中的ABRE元件，且其N端C1结构域（1-77位氨基酸）为转录激活所必需。在青蒿中过表达AabZIP1可使ADS和CYP71AV1转录水平提高约6-8倍，青蒿素含量提升0.7-1.5倍；在ABA处理条件下，转基因株系青蒿素含量比野生型额外增加40%-60%，ADS和CYP71AV1表达量提高9-13倍。该研究首次阐明ABA通过诱导AabZIP1表达进而激活青蒿素合成途径的完整信号传导链条，为通过基因工程手段提高青蒿素产量提供了明确的新靶点。
创新点
首次鉴定AabZIP1为连接ABA信号与青蒿素生物合成的关键bZIP转录因子；证明AabZIP1直接结合并激活ADS和CYP71AV1启动子；发现N端C1结构域（1-77）是AabZIP1转录激活活性所必需；过表达AabZIP1显著提高青蒿素含量，为青蒿素高产遗传改良提供了新靶标。
研究对象（8）
| 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 | AabZIP1 | AabZIP1 | 调控 | ABA响应性bZIP转录因子，过表达提高青蒿素含量 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成 | ADS | ADS (amorpha-4,11-diene synthase) | 催化 | 催化FPP环化形成amorpha-4,11-diene，启动子含ABRE元件 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | CYP71AV1 (细胞色素P450羟化酶) | 催化 | 催化amorpha-4,11-diene羟基化及后续氧化，启动子含ABRE元件 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成 | DBR2 | DBR2 (double bond reductase 2) | 催化 | 催化青蒿醛还原为双氢青蒿醛，受AabZIP1上调 |
| Artemisia annua (青蒿) | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | ALDH1 (aldehyde dehydrogenase 1) | 催化 | 催化双氢青蒿醛氧化为双氢青蒿酸，受AabZIP1上调 |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 青蒿素生物合成（瞬时表达） | AabZIP1 | AabZIP1-YFP | 调控 | 双LUC实验验证激活ADS和CYP71AV1启动子；亚细胞定位在细胞核 |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 青蒿素生物合成（报告系统） | AabZIP1 | AabZIP1 | 调控 | 酵母单杂交验证结合ABRE元件；转录激活实验定位C1结构域为激活域 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 青蒿素生物合成（启动子活性） | AabZIP1 | AabZIP1 | 调控 | 过表达AabZIP1增强pADS:GUS活性，ABA进一步促进 |
关键发现
- 双LUC筛选中AabZIP1将ADS和CYP71AV1启动子活性提高2.7倍（P<0.01）
- 过表达AabZIP1后，AabZIP1转录本提高约20-35倍，ADS和CYP71AV1转录水平提高约6-8倍，DBR2和ALDH1也上调
- 青蒿素含量提高0.7-1.5倍，双氢青蒿酸含量提高0.3-0.8倍
- ABA处理后，野生型青蒿素和双氢青蒿酸分别增加37%和33%，AabZIP1-OX株系分别增加40%-60%和41%-53%，ABA处理下ADS和CYP71AV1表达量比野生型提高9-13倍，DBR2和ALDH1提高约5-8倍
- AabZIP1编码414个氨基酸，分子量45 kDa，pI 9.64。
研究结论
ABA通过诱导AabZIP1表达，进而使其结合并激活青蒿素生物合成关键酶基因ADS和CYP71AV1的启动子，从而促进青蒿素积累；AabZIP1可作为提高青蒿素产量的重要基因工程靶点。