The activity of the artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase promoter is important for artemisinin yield in different chemotypes of Artemisia annua L.
- 作者
- Ke Yang, Rashidi Sajad Monafared, Hongzhen Wang, Anneli Lundgren, Peter E. Brodelius
- 单位
- Department of Chemistry and Biomedical Sciences, Linnaeus University, Kalmar, Sweden; Department of Plant Breeding and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran; Zhejiang Agriculture and Forestry University, Linan, Zhejiang, People's Republic of China
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2015）
- DOI
- 10.1007/s11103-015-0284-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析青蒿醛Δ11(13)还原酶（DBR2）启动子活性对不同化学型（高/低青蒿素产量）黄花蒿青蒿素产量的影响，揭示HAP与LAP品种青蒿素合成差异的分子机制。
研究策略
通过GC-MS比较不同黄花蒿品种中青蒿素、青蒿酸、双氢青蒿醛、青蒿素B等代谢物含量；利用qPCR分析青蒿素生物合成关键酶基因表达水平；克隆并比对HAP和LAP品种的DBR2、ADS、CYP71AV1、ALDH1启动子序列，鉴定顺式作用元件差异，并开发基于PCR的分子标记。
核心内容
本研究通过比较不同化学型黄花蒿（高青蒿素产量HAP与低产量LAP品种）的青蒿素代谢物含量、关键酶基因表达水平及启动子序列差异，解析了青蒿醛Δ11(13)还原酶（DBR2）启动子活性对青蒿素产量的调控机制。利用GC-MS检测发现HAP品种'Anamed'叶片青蒿素含量达14.5 mg/g DW，'2/39'叶片双氢青蒿醛含量为15.6 mg/g DW，而LAP品种'Iran#24'积累大量青蒿酸（43.0 mg/g DW）和青蒿素B（20.0 mg/g DW），且'Anamed'花蕾中DBR2转录水平较LAP品种高100倍以上。启动子序列比对显示HAP品种DBR2启动子存在特征性580 bp片段，LAP品种在该区域有335 bp插入和160 bp缺失，显著降低启动子活性。结果表明DBR2启动子变异直接决定青蒿醛代谢流向：高活性启动子促进双氢青蒿醛生成进而合成青蒿素，低活性则使代谢流向青蒿酸和青蒿素B。该580 bp片段可作为快速筛选高产青蒿素黄花蒿品种的DNA分子标记，为青蒿素代谢工程育种提供了直接靶点。
创新点
首次将DBR2启动子序列变异（缺失/插入）与黄花蒿化学型分类及青蒿素产量直接关联；发现HAP品种DBR2启动子存在特征性580 bp PCR片段，可作为快速筛选高青蒿素产量品种的DNA标记；纠正了前人报道中DBR2启动子可能实为OPR3样启动子的问题。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 将青蒿醛还原为双氢青蒿醛，是决定化学型（HAP/LAP）的关键酶 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | ADS | amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 催化法尼基焦磷酸环化生成紫穗槐-4,11-二烯 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | amorpha-4,11-diene 12-hydroxylase | 催化 | 细胞色素P450单加氧酶，氧化紫穗槐-4,11-二烯并可将青蒿醛氧化为青蒿酸 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 将双氢青蒿醛氧化为双氢青蒿酸，也可将青蒿醛氧化为青蒿酸 |
| Artemisia annua L. | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA reductase | 催化 | 甲羟戊酸途径限速酶，参与青蒿素前体合成 |
| Artemisia annua L. | 萜类前体合成途径 | FDS | farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 合成倍半萜前体法尼基焦磷酸 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CPR | cytochrome P450 reductase | 催化 | 为CYP71AV1提供电子 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 promoter | — | 调控 | 启动子区域在HAP品种含580 bp特征片段，LAP品种存在缺失/插入（-44至-427，-468至-659），影响DBR2基因表达 |
关键发现
- HAP品种（'2/39'、'Anamed'等）的DBR2转录水平显著高于LAP品种，'Anamed'花蕾中DBR2转录水平比'Iran#8'、'Iran#14'、'Iran#47'高100倍以上
- 叶片中'Anamed'、'2/39'、'Chongqing'、'Meise'的DBR2转录水平分别为'Iran#24'的14.0、13.2、8.6、5.0倍。'2/39'叶片中DHAA/AA摩尔比为14.2，ART/AB为58.3
- 'Meise'叶片分别为0.04和0.9
- 'Anamed'叶片ART含量达14.5 mg/g DW，'2/39'叶片DHAA含量15.6 mg/g DW，'Iran#24'叶片AA含量43.0 mg/g DW、AB含量20.0 mg/g DW。HAP品种DBR2启动子存在580 bp片段，LAP品种在该区域有335 bp插入和160 bp缺失，导致启动子活性降低。
研究结论
DBR2启动子活性的差异导致DBR2表达水平不同，进而决定青蒿醛代谢流向：高DBR2表达将青蒿醛还原为双氢青蒿醛并最终生成青蒿素，低表达则使青蒿醛被氧化为青蒿酸并生成青蒿素B。DBR2启动子变异是决定黄花蒿化学型的关键因素，可用于开发高青蒿素产量品种的分子标记。