T-shaped trichome-specific expression of monoterpene synthase ADH2 using promoter-β-GUS fusion in transgenic Artemisia annua L.
- 作者
- Xueqing Fu, Pu Shi, Qian Shen, Weimin Jiang, Yueli Tang, Zongyou Lv, Tingxiang Yan, Ling Li, Guofeng Wang, Xiaofen Sun, Kexuan Tang
- 单位
- Key Laboratory of Urban Agriculture (South) Ministry of Agriculture, Plant Biotechnology Research Center, Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2015）
- DOI
- 10.1002/bab.1440
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明单萜醇脱氢酶ADH2在青蒿中的组织特异性表达模式及其启动子调控机理，评估其对青蒿素生物合成的潜在影响。
研究策略
利用基因组步移法克隆ADH2启动子，构建ADH2启动子-GUS融合载体转化青蒿，通过qRT-PCR和GUS组织化学染色分析ADH2在组织及叶片发育过程中的表达特征。
研究路线图
核心内容
该研究克隆并分析了青蒿中单萜醇脱氢酶基因ADH2的启动子，以阐明其组织特异性表达模式及对青蒿素生物合成的潜在影响。通过基因组步移法获得919 bp启动子片段，预测转录起始位点位于起始密码子上游54 bp，TATA-box位于-29至-24，并含有E-box、W-box、MBS等顺式作用元件。构建启动子-GUS融合载体转化青蒿，结合qRT-PCR和组织化学染色分析发现，ADH2在老叶中高表达，表达量随叶龄从Leaf1到Leaf16逐渐升高，而青蒿素合成关键基因ADS、CYP71AV1、DBR2则在芽和幼叶中高表达并迅速下降。GUS染色显示ADH2启动子活性仅存在于老叶的T形毛状体中，幼叶和根无染色，茎中信号极少。青蒿素含量为0.01%至0.8%干重，精油中青蒿酮占30.7%、樟脑占15.8%。结果表明ADH2仅在T形毛状体中参与青蒿酮等单萜酮合成，与青蒿素合成部位腺毛明显不同，提示ADH2不直接影响青蒿素生物合成，下调该基因可能不会显著改变青蒿素产量，为代谢支路调控提供了新认识。
创新点
首次克隆并分析了青蒿ADH2基因启动子，发现ADH2仅在T形毛状体中表达，与青蒿素合成部位腺毛不同，为代谢支路对青蒿素产量影响提供了新见解。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 单萜生物合成 | ADH2 | 单萜醇脱氢酶 (monoterpene alcohol dehydrogenase) | 催化 | 在T形毛状体中特异性表达，参与青蒿酮等单萜酮合成。 |
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 (amorpha-4,11-diene synthase) | 催化 | 在腺毛中表达，催化法尼基二磷酸环化形成紫穗槐二烯。 |
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 (cytochrome P450-dependent hydroxylase) | 催化 | 在腺毛中表达，催化紫穗槐二烯的羟化和氧化。 |
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 双键还原酶 (double bond reductase 2) | 催化 | 在腺毛中表达，参与青蒿醛的还原。 |
关键发现
- 克隆了919 bp的ADH2启动子，预测TSS位于起始密码子上游54 bp，TATA-box位于-29~-24
- 启动子含E-box、W-box、MBS等多种顺式元件。qRT-PCR显示ADH2在老叶中高表达，表达量随叶龄从Leaf1到Leaf16逐渐升高，而青蒿素合成关键基因ADS、CYP71AV1、DBR2在芽和幼叶中高表达并随叶龄迅速下降。GUS染色显示ADH2启动子活性仅存在于老叶的T形毛状体中，幼叶、根无染色，茎中TST染色很少
- 青蒿素含量为0.01%~0.8%干重，精油中青蒿酮占30.7%、樟脑占15.8%。
研究结论
ADH2几乎只在T形毛状体表达，参与青蒿酮等单萜酮的生物合成，其表达模式与青蒿素合成基因显著不同，说明ADH2不影响青蒿素生物合成，下调ADH2对青蒿素产量可能没有明显影响。