Transgenic approach to increase artemisinin content in Artemisia annua L.
- 作者
- Kexuan Tang, Qian Shen, Tingxiang Yan, Xueqing Fu
- 杂志
- Plant Cell Reports（2014）
- DOI
- 10.1007/s00299-014-1566-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素在青蒿中含量极低（0.1%-1%干重），导致供应短缺和价格高昂，急需通过代谢工程提高青蒿中青蒿素含量。
研究策略
系统综述通过转基因技术提高青蒿素含量的多种策略，包括过表达青蒿素生物合成关键酶基因（如HMGR、DXR、FPS、ADS、CYP71AV1/CPR等）、阻断竞争性代谢通路（如RNAi抑制SQS、反义抑制CPS）、过表达转录因子（如AaWRKY1、AaERF1/2、AaORA）以及激素、光信号等间接调控。
核心内容
该研究系统综述了通过转基因策略提高青蒿中青蒿素含量的多种代谢工程途径，旨在解决青蒿素天然含量极低（0.1%–1%干重）导致的供应短缺问题。主要策略包括过表达青蒿素生物合成关键酶基因（如HMGR、DXR、FPS、ADS、CYP71AV1/CPR）、通过RNAi或反义技术阻断甾醇等竞争性代谢通路、过表达转录因子（如AaWRKY1、AaERF1/2）以及利用激素和光信号进行间接调控。关键结果显示，单基因过表达即可显著提升产量，如HMGR过表达使青蒿素含量提高22.5%–38.9%，异源FPS过表达使含量达干重1.0%，为对照的2–3倍；多基因共表达策略效果更佳，ADS、CYP71AV1和CPR三者共表达使青蒿素达15.1 mg/g干重，提高2.4倍。竞争途径抑制策略尤为突出，SQS的RNAi抑制使青蒿素最高达31.4 mg/g干重，为对照的3.14倍。转录因子AaWRKY1过表达亦使含量达24.5 mg/g干重（4.4倍）。这些结果表明，单一遗传改造已能有效提升青蒿素产量，但需结合多策略（如同时激活合成、抑制竞争、优化毛状体密度）才能实现产量的进一步大幅跃升，为工业化生产提供了重要思路。
创新点
全面总结了近年来利用农杆菌介导转化提高青蒿素含量的研究进展，覆盖单基因过表达、多基因共表达、竞争途径抑制、转录因子调控和间接调控等策略，并提出了未来多策略组合的展望。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 来自长春花或青蒿，过表达使青蒿素含量提高22.5%-38.9% |
| Artemisia annua L. | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量提高1.21-2.35倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 异源（棉花）FPS过表达使青蒿素达1.0%干重，为对照2-3倍；同源FPS过表达提高2-2.5倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 过表达使青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸含量分别增加82%、65%和59% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 与CPR共表达使青蒿素含量提高38% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 作为CYP71AV1的氧化还原伴侣，参与电子传递 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛转化为二氢青蒿醛，是青蒿素与青蒿酸分支的关键酶 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化二氢青蒿醛转化为二氢青蒿酸 |
| Artemisia annua L. | 甾醇生物合成（竞争途径） | SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | RNAi抑制其表达，青蒿素最高达31.4 mg/g DW，为对照3.14倍 |
| Artemisia annua L. | 倍半萜竞争途径 | CPS | β-石竹烯合酶 | 催化 | 反义抑制使β-石竹烯含量降低40%-60%，青蒿素含量提高54.9% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子W盒，过表达使青蒿素达24.5 mg/g DW，为对照4.4倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | JA响应，结合ADS和CYP71AV1启动子CBF2/RAA基序，正调控青蒿素生物合成 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | JA响应，结合ADS和CYP71AV1启动子CBF2/RAA基序，正调控青蒿素生物合成 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 毛状体特异，过表达使青蒿素最高达11.9 mg/g DW，提高53% |
| Artemisia annua L. | 茉莉酸生物合成 | AaAOC | 丙二烯氧化物环化酶 | 催化 | 过表达使茉莉酸含量提高2-4.7倍，青蒿素含量提高87.9%，毛状体密度增加 |
| Artemisia annua L. | ABA信号通路 | AaPYL9 | ABA受体PYL9 | 调控 | 过表达后经ABA处理，青蒿素含量提高74-95%，野生型仅提高33% |
| Artemisia annua L. | 光信号转导 | CRY1 | 隐花色素1 | 调控 | 来自拟南芥，过表达使青蒿素含量提高30-40%，最高74% |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 酵母中过表达3拷贝HMGR显著提高青蒿酸产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 参与酵母半合成青蒿素，催化紫穗槐-4,11-二烯氧化为青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸生物合成 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 与CYP71AV1共表达于酵母，提供电子辅助催化 |
关键发现
- HMGR过表达使青蒿素含量提高22.5%-38.9%
- DXR过表达使青蒿素含量提高1.21-2.35倍
- 异源FPS过表达使青蒿素含量达1.0%干重，为对照的2-3倍
- 同源FPS过表达提高2-2.5倍（R²=0.78）
- ADS过表达使青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸含量分别增加82%、65%和59%
- CYP71AV1和CPR共表达使青蒿素含量达980±108 μg/g鲜重，比对照（708±18 μg/g）高38%
- HMGR和ADS共表达最高达1.73 mg/g DW，为对照的7.65倍
- HMGR和FPS共表达使青蒿素达9 mg/g DW，提高约1.8倍
- FPS、CYP71AV1和CPR三基因共表达提高3.6倍
- ADS、CYP71AV1和CPR共表达使青蒿素达15.1 mg/g DW，提高2.4倍
- SQS RNAi使青蒿素最高达31.4 mg/g DW，为对照的3.14倍，且甾醇含量下降
- CPS反义使β-石竹烯含量降低40%-60%，青蒿素含量提高54.9%
- AaWRKY1过表达使青蒿素达24.5 mg/g DW，为对照的4.4倍
- AaORA过表达使青蒿素最高达11.9 mg/g DW，提高53%
- AaAOC过表达使茉莉酸含量提高2-4.7倍，青蒿素含量提高87.9%，毛状体密度增加
- 外源ABA处理野生型提高33%，而AaPYL9过表达株系经ABA处理提高74-95%
- CRY1过表达使青蒿素含量提高30-40%，最高74%。
研究结论
转基因技术能有效提高青蒿中青蒿素含量，单一策略已有显著效果，但为进一步大幅提高产量，需采用多策略组合，如同时过表达多个下游基因与上游基因、阻断竞争途径、调控毛状体密度和生物量等。