Cold stress improves the production of artemisinin depending on the increase of endogenous jasmonate
- 作者
- Wanhong Liu, Huanyan Wang, Yupei Chen, Shunqin Zhu, Min Chen, Xiaozhong Lan, Guoping Chen, Zhihua Liao
- 单位
- Key Laboratory of Biorheological Science and Technology, Ministry of Education, College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400044, People's Republic of China; Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), SWU-TAAHC Medicinal Plant Joint R&D Centre, School of Life Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, People's Republic of China; School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, People's Republic of China; SWU-TAAHC Medicinal Plant Joint R&D Centre, College of Pharmaceutical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1002/bab.1493
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
冷胁迫提高青蒿中青蒿素产量的分子机制尚不清楚。本研究旨在揭示冷胁迫通过内源茉莉酸信号通路促进青蒿素生物合成的调控机制。
研究策略
通过外源茉莉酸甲酯(MeJA)处理测定青蒿幼苗的冻害耐受性；利用时间序列分析冷胁迫下内源茉莉酸含量、茉莉酸合成基因(LOX1, LOX2, AOC, JAR1)、青蒿素合成调控转录因子(ERF1, ERF2, ORA)及青蒿素合成基因(ADS, CYP71AV1, DBR2, ALDH1)的表达变化；并测定青蒿素及中间代谢物的含量。
核心内容
该研究以青蒿为对象，探讨冷胁迫通过内源茉莉酸信号促进青蒿素合成的机制。作者采用时间序列分析，测定了冷胁迫下茉莉酸合成基因（LOX1、LOX2、AOC、JAR1）、青蒿素调控转录因子（ERF1、ERF2、ORA）及合成基因（ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1）的表达，同时检测内源茉莉酸和青蒿素含量，并用外源茉莉酸甲酯验证冻害耐受性。结果显示，冷胁迫6小时时LOX1表达比对照高8倍，内源茉莉酸同步达到峰值；冷处理48小时后青蒿素含量达4.59–4.88 mg/g DW，为对照（1.56 mg/g DW）的2.95–3.13倍。外源3 µM和5 µM茉莉酸甲酯使幼苗在-7°C的存活率分别升至57.13%和86.67%，显著高于对照的34.29%。该研究首次阐明了冷胁迫经内源茉莉酸激活ERF1/ERF2/ORA，进而上调青蒿素合成基因的级联调控途径，为通过冷处理或茉莉酸信号调控提高青蒿素产量提供了理论依据。
创新点
首次阐明冷胁迫通过增加内源茉莉酸来促进青蒿素生物合成的分子机制；证实外源MeJA可提高青蒿的耐冻性；揭示了冷胁迫下茉莉酸信号通路和青蒿素合成通路之间的级联调控关系。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 茉莉酸生物合成 | LOX1 | 脂氧合酶1 | 催化 | 冷胁迫6h时表达量上调8倍 |
| Artemisia annua L. | 茉莉酸生物合成 | LOX2 | 脂氧合酶2 | 催化 | 冷胁迫3-6h表达显著上调 |
| Artemisia annua L. | 茉莉酸生物合成 | AOC | 丙二烯氧化物环化酶 | 催化 | 冷胁迫12h时表达达到峰值 |
| Artemisia annua L. | 茉莉酸生物合成 | JAR1 | 茉莉酸抗性1蛋白（JA-Ile合成酶） | 催化 | 冷胁迫1-24h持续诱导，6h最高 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | ERF1 | 乙烯应答因子1 | 调控 | JA响应转录因子，冷胁迫1-12h强烈诱导 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | ERF2 | 乙烯应答因子2 | 调控 | JA响应转录因子，冷胁迫3-6h表达显著增加 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | ORA | 十八烷素应答AP2/ERF转录因子 | 调控 | JA响应转录因子，冷胁迫6h表达最高 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 冷胁迫6h表达达到峰值 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 冷胁迫12h表达显著增加 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 冷胁迫24h表达显著增加 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 冷胁迫6h表达达到峰值 |
关键发现
- ['外源MeJA处理（3 μM和5 μM）使青蒿幼苗在-7°C冷冻后的存活率分别达到57.13%和86.67%，显著高于对照的34.29%。', '冷胁迫6 h时，JA合成基因LOX1相对表达量比对照高8倍
- LOX2、AOC和JAR1表达也显著上调。', '内源茉莉酸含量在冷胁迫6 h时达到峰值，随后下降至正常水平。', '冷胁迫显著提高青蒿素含量：处理24 h后为2.09-3.05 mg/g DW，是对照（1.56 mg/g DW）的1.34-1.96倍
- 处理48 h后为4.59-4.88 mg/g DW，是对照的2.95-3.13倍。', '冷胁迫还提高了二氢青蒿酸、青蒿素B（48 h时为0.031-0.051 mg/g DW）和青蒿酸等代谢物的含量。', 'JA响应转录因子ERF1、ERF2和ORA以及青蒿素合成基因ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1的表达在冷胁迫下均被诱导上调。']
研究结论
冷胁迫通过上调茉莉酸合成基因的表达，增加内源茉莉酸含量，进而激活JA响应转录因子（ERF1/ERF2/ORA），这些转录因子上调青蒿素合成关键基因（ADS、CYP71AV1、DBR2、ALDH1）的表达，最终提高青蒿素及其相关代谢物的产量。这为理解青蒿素生物合成的环境调控提供了分子机制，也为通过冷处理或JA信号调控提高青蒿素产量提供了策略。