Overexpression of the Artemisia Orthologue of ABA Receptor, AaPYL9, Enhances ABA Sensitivity and Improves Artemisinin Content in Artemisia annua L.
- 作者
- Fangyuan Zhang, Xu Lu, Zongyou Lv, Ling Zhang, Mengmeng Zhu, Weiming Jiang, Guofeng Wang, Xiaofen Sun, Kexuan Tang
- 单位
- Plant Biotechnology Research Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, People's Republic of China
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0056697
- 所属领域
- 代谢工程
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
青蒿中青蒿素含量低，且外源ABA可提高青蒿素含量，但青蒿ABA受体未知。本研究旨在克隆青蒿ABA受体并通过过表达增强ABA敏感性，以提高青蒿素产量和抗旱性。
研究策略
从青蒿cDNA文库中克隆ABA受体同源基因AaPYL9；通过序列分析、酵母双杂交、BiFC和亚细胞定位研究其功能；构建过表达载体转化拟南芥和青蒿，分析转基因植株的ABA敏感性、抗旱性、青蒿素含量及相关基因表达。
研究路线图
核心内容
该研究从青蒿中克隆了ABA受体同源基因AaPYL9，其编码蛋白与拟南芥AtPYL9氨基酸序列一致性达72.6%。酵母双杂交和BiFC实验证实AaPYL9与共抑制因子AtABI1发生ABA依赖型互作，且P89S和H116A点突变可消除该互作，验证了gate/latch残基的关键功能。在拟南芥中过表达AaPYL9显著增强ABA敏感性，0.3–0.5 μM ABA处理下转基因株系种子萌发率低于10%而野生型约45%，ABA应答基因RAB18、P5CS1、RD29A和RD29B表达量提高2–3倍。转基因青蒿中AaPYL9表达量为野生型10–20倍，干旱处理两周后萎蔫程度和失水率均低于野生型，抗旱性增强。未处理时两者青蒿素含量均约600 μg/g，外源ABA处理后野生型增加33%，转基因株系增加74%–95%，同时青蒿素合成关键基因ADS、FPS和CYP71AV1显著上调。结果表明AaPYL9是功能保守的ABA受体，过表达可提升ABA敏感性和抗旱性，并在ABA诱导下显著提高青蒿素产量，为高含量抗逆青蒿品种培育提供了可行策略。
创新点
首次从青蒿中克隆并功能鉴定ABA受体AaPYL9；证实AaPYL9与AtABI1的ABA依赖型互作，并通过点突变验证gate/latch残基的关键作用；证明过表达AaPYL9在外源ABA处理下显著提高青蒿素含量（增加74%-95%），同时增强抗旱性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 | ABA信号通路 | AaPYL9 | AaPYL9 | 调控 | ABA受体，酵母双杂交中与AtABI1互作，ABA增强互作，P89S/H116A突变消除互作。 |
| 酿酒酵母 | ABA信号通路 | AtABI1 | AtABI1 | 调控 | 蛋白磷酸酶2C（PP2C），AaPYL9的互作蛋白。 |
| 拟南芥 | ABA信号通路 | AaPYL9 | AaPYL9 | 调控 | 过表达增强ABA敏感性，种子萌发和根生长受抑。 |
| 青蒿 | ABA信号通路 | AaPYL9 | AaPYL9 | 调控 | 过表达提高抗旱性和ABA诱导的青蒿素产量。 |
| 青蒿 | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | ABA处理后6h表达显著上调。 |
| 青蒿 | 青蒿素生物合成 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | ABA处理后6h表达显著上调。 |
| 青蒿 | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | CYP71AV1（紫穗槐-4,11-二烯氧化酶） | 催化 | ABA处理后6h表达显著上调。 |
关键发现
- ['AaPYL9与拟南芥AtPYL9氨基酸序列一致性为72.6%。', '酵母双杂交显示AaPYL9仅与AtABI1互作，且10 μM ABA增强互作
- P89S和H116A点突变消除互作。', '过表达AaPYL9的拟南芥在0.3和0.5 μM ABA条件下种子萌发率低于10%，而野生型约45%
- 在5 μM ABA下根长显著缩短。', 'ABA处理后，35S::AaPYL9拟南芥中RAB18、P5CS1、RD29A、RD29B表达量比野生型高2-3倍。', '转基因青蒿中AaPYL9表达量为野生型的10-20倍
- 干旱处理2周后，转基因植株萎蔫程度低于野生型，失水率显著降低。', '未处理时野生型和转基因青蒿青蒿素含量均约为600 μg/g
- 外源ABA处理后，野生型增加33%，转基因株系增加74%-95%。', 'ABA处理后6小时，转基因青蒿中ADS、FPS、CYP71AV1表达显著高于野生型，HMGR无显著变化。']
研究结论
AaPYL9是青蒿中功能保守的ABA受体，过表达AaPYL9增强植物ABA敏感性，提高抗旱性，并在外源ABA处理下通过上调青蒿素合成关键基因显著提高青蒿素含量，为培育高青蒿素含量和抗旱的青蒿品种提供了有效策略。