Biotechnological approaches for artemisinin production in Artemisia
- 作者
- Waqas Khan Kayani, Bushra Hafeez Kiani, Erum Dilshad, Bushra Mirza
- 单位
- Department of Plant Breeding, Swedish University of Agricultural Sciences; Department of Bioinformatics and Biotechnology, International Islamic University; Department of Biosciences, Capital University of Science and Technology (CUST); Department of Biochemistry, Faculty of Biological Sciences, Quaid-i-Azam University
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2018）
- DOI
- 10.1007/s11274-018-2432-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素及其衍生物在天然来源青蒿属植物中含量极低，化学合成不经济，急需通过生物技术手段提高其产量以满足全球抗疟疾需求。
研究策略
综述非转基因（组织/细胞培养、诱导子）、转基因（青蒿素生物合成途径基因、毛状根、rol基因、毛状体发育基因等）以及异源表达系统（大肠杆菌、酿酒酵母）等多种生物技术策略来提高青蒿素产量。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了提高青蒿素产量的多种生物技术策略。青蒿素在天然植株干重中仅占0.1%至0.8%，化学合成又不经济，难以满足全球抗疟疾需求。在非转基因策略方面，通过优化组织培养条件（如0.1mg/L TDZ再生植株可使青蒿素含量达3.36μg/mg干重，为体外植株的两倍）、诱导子处理（如甲基茉莉酸与甲羟戊酸联合处理使产量达96.8mg/L，为对照的4.79倍）以及培养方式优化（营养雾反应器优于气泡柱）均能有效提升产量。转基因策略则更为显著：过表达FPS可使毛状根中青蒿素含量提高3至4倍；rolB基因转化使含量提升最高达9倍；过表达毛状体发育基因bgl1可使花中青蒿素含量达2.56%/g干重。此外，工程酵母可实现青蒿酸产量达100mg/L。这些结果表明，结合毛状根培养与关键基因过表达是当前最具潜力的增产途径，而毛状根中无毛状体仍能合成青蒿素的事实也提示可能存在未被充分认识的调控机制。
创新点
系统总结了青蒿素生物合成途径基因、毛状体发育基因、rol基因等转基因策略，并强调毛状根中无毛状体却仍能合成青蒿素的新见解，以及葡萄糖作为信号分子调控青蒿素合成。
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径（MVA/MEP） | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 过表达FPS促进IPP和DMADP转化为FDP，提高青蒿素含量3-4倍（毛状根）和2-3倍（转基因植株） |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 与ADS共转化或与FPS共过表达可显著提高青蒿素产量 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化形成紫穗槐-4,11-二烯，在毛状体中高表达 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 氧化紫穗槐-4,11-二烯生成青蒿酸，在毛状体表达，转基因植株中表达水平高于ADS |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 双键还原酶2 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 参与青蒿酸合成，在毛状体中表达 |
| Artemisia annua | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径限速酶，与青蒿素产量相关 |
| Artemisia annua | MEP途径 | AaHDR | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径最后一步酶，过表达增加青蒿素前体 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 竞争FDP分支，可能影响青蒿素合成 |
| Artemisia annua | 毛状体发育 | TFAR1 | 毛状体特异性脂肪酰-CoA还原酶1 | 调控 | 参与毛状体发育和倍半萜生物合成，过表达促进青蒿素积累 |
| Artemisia annua | 毛状体发育 | TAR1 | 毛状体和青蒿素调节子1 | 调控 | 调控毛状体发育和青蒿素生物合成，过表达显著提高青蒿素产量 |
| Artemisia annua | 毛状体发育 | TTG1 | TTG1蛋白 | 调控 | 过表达增加腺毛数量并提高青蒿素产量 |
| Artemisia annua | 毛状体发育 | AaORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 毛状体特异性转录因子，正调控青蒿素生物合成 |
| Artemisia annua | 植物激素 | ipt | 异戊烯基转移酶 | 调控 | 提高细胞分裂素水平，青蒿素浓度增加70% |
| Artemisia annua | 植物激素 | bgl1 | β-葡萄糖苷酶 | 调控 | 诱导毛状体密度和青蒿素含量增加 |
| Artemisia annua | 开花调控 | CO | CONSTANS | 调控 | 早花但不增加青蒿素产量 |
| Artemisia annua | 开花调控 | fpf1 | 开花促进因子1 | 调控 | 早花20天但不增加青蒿素产量 |
| Artemisia annua / A. carvifolia / A. dubia | 次级代谢调控 | rolA, rolB, rolC, rolABC | rol蛋白 | 调控 | rolB是次级代谢最强诱导因子，rolB转化使青蒿素提高3-9倍，rolC提高2.3-6倍，rolABC提高9倍 |
| Artemisia annua（毛状根） | 青蒿素生物合成 | — | — | 转运 | 毛状根无毛状体但仍能合成青蒿素，表明生物合成不限于毛状体；根部调节叶片青蒿素合成 |
| Escherichia coli | 青蒿素前体生物合成 | ADS等9基因 | 紫穗槐-4,11-二烯合酶等 | 催化 | 两相反应器生产89%纯度amorpha-4,11-二烯，浓度约0.5g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 + 青蒿素前体合成 | ADS, CYP71AV1 | 紫穗槐-4,11-二烯合酶、细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 重构酵母产生青蒿酸达100mg/L，高于青蒿植物 |
| Artemisia dubia / A. indica（毛状根） | 青蒿素生物合成 | — | — | 催化 | A. dubia毛状根青蒿素最高达0.753%干重；A. indica毛状根青蒿素0.042%鲜重 |
| Artemisia annua（YUT16毛状根） | 青蒿素生物合成 | — | — | 能量供给 | 葡萄糖作为碳源和信号分子上调FPS、DXS、DXR、ADS、CYP表达，使青蒿素产量增加200% |
关键发现
- 青蒿素在植物干重中的含量为0.1%-0.8%，最高可达1.5%；用0.1mg/L TDZ再生植株青蒿素含量为3.36μg/mg干重（比体外植株高2倍）；COS上调ADS
- 5倍、TTG1
- 8倍，SA上调ADS
- 0倍；MA+MeJ联合处理使青蒿素产量达96.8mg/L（对照20.2mg/L的4.79倍）；过表达FPS使毛状根青蒿素含量提高3-4倍，转基因植株提高2-3倍；ipt基因转化使青蒿素浓度提高70%；bgl1基因使毛状体密度增加20%（叶片）和66%（花），青蒿素含量达1.4%（叶）和2.56%/g干重（花）；rolB转化使青蒿素含量提高3-7倍（A. carvifolia）和2-9倍（A. annua），rolC提高2.3-6倍和4倍；四倍体毛状根比二倍体产生多达6倍青蒿素；营养雾反应器中青蒿素为2.64μg/g干重，气泡柱为0.98μg/g干重；GA3处理使毛状根青蒿素生物合成提高400%；A. dubia毛状根GA3处理青蒿素达80±3μg/g干重（增加91%）；工程大肠杆菌两相反应器生产89%纯度的amorpha-4,11-二烯，浓度约0.5g/L；工程酵母产生青蒿酸达100mg/L。
研究结论
青蒿素是治疗多药耐药疟疾的可靠药物，但天然含量低。通过非转基因与转基因策略（特别是rol基因和毛状根培养）可显著提高青蒿素产量，异源表达系统（如酵母、大肠杆菌）也有潜力。转基因植物中毛状体发育基因和青蒿素途径基因的过表达是有效手段，但仍需深入研究调控机制。