Salicylic acid activates artemisinin biosynthesis in Artemisia annua L.
- 作者
- Gao-Bin Pu, Dong-Ming Ma, Jian-Lin Chen, Lan-Qing Ma, Hong Wang, Guo-Feng Li, He-Chun Ye, Ben-Ye Liu
- 单位
- Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Nanxincun 20, Xiangshan, Haidian District, 100093 Beijing, China
- 杂志
- Plant Cell Reports（2009）
- DOI
- 10.1007/s00299-009-0713-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素在黄花蒿中含量低（通常低于干重的0.1%至1%），导致抗疟药物成本高昂，难以满足全球需求。本研究探讨水杨酸（SA）能否激活青蒿素生物合成及其作用机制，以提高青蒿素产量。
研究策略
对黄花蒿叶片外源喷施1.0 mM水杨酸（SA），随后在不同时间点测定内源SA、活性氧（ROS）、青蒿素及其前体（青蒿酸、二氢青蒿酸）浓度，并通过RNA凝胶印迹分析HMGR、FDS、ADS、CYP71AV1基因的表达变化。
核心内容
该研究以黄花蒿为材料，探讨外源水杨酸（SA）对青蒿素生物合成的激活作用及其机制。研究人员对叶片喷施1.0 mM水杨酸，并检测内源SA、活性氧（ROS）、青蒿素及前体含量变化，同时分析HMGR、FDS、ADS和CYP71AV1等关键基因的表达水平。结果显示，外源SA处理96小时后，青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸浓度分别较对照提高54%、127%和72%，其中青蒿酸在96小时达到4.98 mg/g干重。处理4小时后游离SA浓度升至对照的3.5倍以上，H₂O₂水平增加2.1倍以上，表明SA诱导了ROS爆发。基因表达方面，HMGR在24小时表达上调130%，ADS在8小时达峰值，而FDS和CYP71AV1无明显变化。研究揭示SA通过两条途径激活青蒿素合成：一是ROS促进二氢青蒿酸向青蒿素的非酶促转化，二是上调HMGR和ADS基因表达。该发现为短期提高田间黄花蒿青蒿素产量提供了可行策略。
创新点
首次提供证据表明外源SA通过ROS爆发促进二氢青蒿酸向青蒿素的转化，同时上调HMGR和ADS等关键基因表达，从而激活青蒿素生物合成；并指出该机制涉及MVA途径的HMGR和青蒿素合成关键酶ADS的转录调控。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L.（黄花蒿） | 甲羟戊酸（MVA）途径 / 萜类合成 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸，是异戊二烯生物合成的第一个关键酶，为青蒿素提供前体 |
| Artemisia annua L.（黄花蒿） | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化法尼基二磷酸（FDP）环化生成紫穗槐-4,11-二烯，是青蒿素生物合成的第一个关键步骤 |
| Artemisia annua L.（黄花蒿） | 青蒿素生物合成途径 / 萜类合成 | FDS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成法尼基二磷酸（FDP），为青蒿素合成提供前体 |
| Artemisia annua L.（黄花蒿） | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化紫穗槐-4,11-二烯依次氧化生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸 |
关键发现
- 外源SA处理96 h后，青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸浓度分别比对照提高54%、127%和72%（摘要数据）
- 结果中青蒿素浓度在8 h和96 h分别比对照高21.7%和75.8%，青蒿酸浓度在96 h达到4.98 mg/g DW（比对照高127%）。SA处理4 h后游离SA浓度显著升高至对照的350%以上，16 h达到峰值
- H2O2浓度在4 h增加2.1倍以上，O2−也显著升高。HMGR基因表达在24 h比对照高130%，ADS基因表达在8 h达到峰值，而FDS和CYP71AV1表达变化不大。此外，SA处理使青蒿素及前体总产量在第1、2、4天分别比对照提高1.3、1.5和1.8倍。
研究结论
SA通过至少两种方式激活黄花蒿青蒿素生物合成：一是利用ROS爆发促进二氢青蒿酸非酶促转化为青蒿素；二是上调HMGR和ADS等基因的表达。该发现可用于短期提高田间青蒿素产量。