Metabolic engineering of artemisinin biosynthesis in Artemisia annua L.
- 作者
- Benye Liu, Hong Wang, Zhigao Du, Guofeng Li, Hechun Ye
- 单位
- Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China; Institute of Pharmaceutical Biology, Technical University Braunschweig, Braunschweig, Germany
- 杂志
- Plant Cell Reports（2010）
- DOI
- 10.1007/s00299-010-0967-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素是有效的抗疟药物，但青蒿中青蒿素含量低（0.01%-0.8%干重），化学合成不经济，需要通过代谢工程提高青蒿中青蒿素含量以满足每年超过1亿疗程的联合用药需求。
研究策略
通过优化农杆菌介导的遗传转化体系，在青蒿中过表达青蒿素生物合成相关基因（ipt、fps、ADS等），并利用GC-MS和GC×GC-MS等代谢组学方法评估改造效果。
研究路线图
核心内容
该研究通过代谢工程手段提升青蒿中青蒿素的含量，以应对其天然产量低（仅为干重的0.01%–0.8%）及化学合成不经济的问题。研究者优化了农杆菌介导的遗传转化体系（效率达4–10%），在青蒿中分别过表达ipt、fps和ADS等青蒿素生物合成关键基因，并借助GC-MS和GC×GC-MS对转基因植株的萜类代谢谱进行系统解析。结果显示，ipt过表达使细胞分裂素含量升高2–3倍，青蒿素产量增加30–70%；异源与内源FPS过表达分别使青蒿素提高2–4倍，内源FPS过表达下最高含量达0.9%干重，较对照（0.65%）提升34.4%；ADS过表达则使青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸分别增加约100%、65%和59%。研究表明，单基因过表达难以大幅提升产量，青蒿素合成存在多个瓶颈，未来需借助多基因协同、转录因子调控（如AaWRKY1）或质体区室化定位等策略实现更有效的代谢流强化。
创新点
建立了效率达4-10%的高效农杆菌转化体系；系统比较了异源与内源FPS过表达的效果；利用GC×GC-MS全面解析转基因青蒿的萜类代谢谱；揭示ADS过表达可显著提高青蒿素含量（约100%）；提出多基因协同、转录因子调控、质体定位等改进策略。
研究对象（6）
| 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（萜类代谢） | ipt | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 来自农杆菌T-DNA，催化IPP与AMP缩合，过表达提高细胞分裂素、叶绿素和青蒿素含量 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（萜类代谢） | fps | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 来自棉花（异源）或青蒿（内源），催化IPP与DMAPP缩合生成FPP，异源过表达使青蒿素提高2-4倍，内源过表达提高34.4% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（萜类代谢） | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FPP转化为amorpha-4,11-diene，过表达使青蒿素、青蒿酸、二氢青蒿酸分别增加约100%、65%、59% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（萜类代谢） | CAD | cadinene synthase | 催化 | 过表达对青蒿素含量无影响（未发表数据） |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（萜类代谢） | Dbr2 | 青蒿醛还原酶 | 催化 | 建议作为提高青蒿素产量的目标基因，可促进二氢青蒿酸形成 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成（萜类代谢） | AaWRKY1 | AaWRKY1转录因子 | 调控 | 青蒿中首个分离的转录因子，可激活青蒿素生物合成通路多个基因 |
关键发现
- 野生青蒿青蒿素含量为干重的0.01%-0.8%
- 优化后转化效率约4-10%
- ipt过表达使细胞分裂素（iPA和iP）含量升高2-3倍、叶绿素增加20-60%、青蒿素增加30-70%
- 异源FPS在毛状根中过表达使青蒿素提高3-4倍，在转基因植株中提高2-3倍
- 内源FPS过表达使FPS活性提高2-3倍，最高青蒿素含量达0.9%干重，较对照（0.65%）提高34.4%
- ADS过表达使青蒿素、青蒿酸、二氢青蒿酸含量分别增加约100%、65%、59%
- 转基因植株中龙脑和植醇含量也增加。
研究结论
单基因过表达不足以大幅提高青蒿素产量，青蒿素生物合成存在多个瓶颈步骤；需要多基因协同、利用转录因子（如AaWRKY1）或区室化定位（如质体）等策略来更有效地提高青蒿素含量。