高级醇 · 代谢工程文献库

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Overexpression of Allene Oxide Cyclase Improves the Biosynthesis of Artemisinin in Artemisia annua L.

作者
Xu Lu, Fangyuan Zhang, Qian Shen, Weimin Jiang, Qifang Pan, Zongyou Lv, Tingxiang Yan, Xueqing Fu, Yuliang Wang, Hongmei Qian, Kexuan Tang
单位
Plant Biotechnology Research Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China; State Key Laboratory of Natural Medicines, China Pharmaceutical University, Nanjing, China
杂志
PLoS ONE（2014）
DOI
10.1371/journal.pone.0091741
所属领域
代谢工程
关键词
Allene Oxide CyclaseArtemisia annuaArtemisininJasmonates
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解决的核心问题

青蒿素生物合成产量有限，需要提高其积累水平；内源茉莉酸（JA）对青蒿素合成的调控作用尚不明确。

研究策略

在青蒿中过表达茉莉酸生物合成关键酶基因AaAOC，通过提高内源JA水平，激活青蒿素生物合成通路相关基因，从而促进青蒿素积累。

研究路线图

100%
研究问题：青蒿素产量低，JA调控机制不明
策略：过表达AaAOC提高内源JA
改造：构建AaAOC过表达转基因青蒿
结果1：AaAOC表达↑1.6-5.2倍，JA↑2-4.7倍
结果2：关键基因FPS↑1.7-4.3倍，CYP71AV1↑5.8-17倍，DBR2↑1.5-5.1倍
结果3：青蒿素↑38%-97%，二氢青蒿酸↑125%-248%，青蒿酸↑172%-675%
结论：内源JA正调控青蒿素生物合成
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核心内容

本研究在青蒿中过表达茉莉酸生物合成关键酶基因AaAOC，旨在通过提升内源茉莉酸水平激活青蒿素合成通路。转基因植株中AaAOC表达量提高1.6至5.2倍，内源茉莉酸含量相应增加2至4.7倍，并伴随青蒿素含量显著上升38%至97%，青蒿酸及二氢青蒿酸含量分别提高172%至675%和125%至248%。在通路基因层面，FPS、CYP71AV1和DBR2的表达量分别上调1.7至4.3倍、5.8至17倍和1.5至5.1倍，而ADS、CPR和ALDH1的表达变化不显著。研究还克隆了AaAOC启动子并揭示了其组织表达模式。结果表明内源茉莉酸对青蒿素生物合成具有明确的剂量依赖型正调控作用，过表达AaAOC可作为提升青蒿素产量的有效代谢工程策略，也为解析茉莉酸信号在萜类次生代谢中的调控机制提供了直接证据。

创新点

首次在青蒿中过表达AaAOC基因以提高内源JA含量，并系统验证了内源JA对青蒿素生物合成的正调控作用；克隆了AaAOC启动子并揭示其组织表达模式。

研究对象（7）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Artemisia annua L. Jasmonate biosynthesis AaAOC Allene oxide cyclase 催化 茉莉酸生物合成关键酶，过表达后内源JA含量提高2-4.7倍
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis FPS Farnesyl diphosphate synthase 催化 表达量提高1.7-4.3倍
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis CYP71AV1 Cytochrome P450 dependent hydroxylase 催化 表达量提高5.8-17倍
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis DBR2 Double bond reductase 2 催化 表达量提高1.5-5.1倍
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis ADS Amorphadiene synthase 催化 表达量变化不显著
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis CPR Cytochrome P450 reductase 催化 表达量变化不显著
Artemisia annua L. Artemisinin biosynthesis ALDH1 Aldehyde dehydrogenase 1 催化 表达量变化不显著

关键发现

  1. 转基因青蒿中AaAOC表达量提高1.6-5.2倍
  2. 内源JA含量提高2-4.7倍
  3. 青蒿素含量提高38%-97%
  4. 二氢青蒿酸含量提高125%-248%
  5. 青蒿酸含量提高172%-675%
  6. FPS表达量提高1.7-4.3倍
  7. CYP71AV1表达量提高5.8-17倍
  8. DBR2表达量提高1.5-5.1倍
  9. ADS、CPR和ALDH1表达变化不显著。

研究结论

过表达AaAOC能显著增加青蒿内源JA水平，进而上调青蒿素生物合成关键基因（FPS、CYP71AV1、DBR2）的表达，最终促进青蒿素及其前体物质的积累，表明内源JA在青蒿素生物合成中发挥重要正调控作用。