Enhancement of artemisinin content in tetraploid Artemisia annua plants by modulating the expression of genes in artemisinin biosynthetic pathway
- 作者
- Xiuyan Lin, Yin Zhou, Jianjun Zhang, Xu Lu, Fangyuan Zhang, Qian Shen, Shaoyan Wu, Yunfei Chen, Tao Wang, Kexuan Tang
- 单位
- Plant Biotechnology Research Center, School of Agriculture and Biology, Key Laboratory of Urban Agriculture (South), Ministry of Agriculture, Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, Shanghai Jiao Tong University; Shanghai Academy of Agricultural Sciences
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2011）
- DOI
- 10.1002/bab.13
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
四倍体青蒿中青蒿素含量升高的分子机制尚不明确，需要解析多倍化如何影响青蒿素生物合成途径基因的表达，并探索提高青蒿素产量的方法。
研究策略
利用秋水仙素诱导青蒿产生四倍体，通过流式细胞术鉴定倍性；比较二倍体与四倍体的气孔形态和青蒿素含量；采用半定量RT-PCR分析10个青蒿素生物合成相关基因的表达，并用Western blot验证FPS蛋白水平。
研究路线图
核心内容
该研究通过秋水仙素诱导青蒿产生四倍体，利用流式细胞术鉴定倍性，并比较了二倍体与四倍体在气孔形态和青蒿素含量上的差异。半定量RT-PCR分析显示，四倍体中HMGR、FPS和Aldh1基因表达显著上调，ADS轻微上调，而DXS、DXR、CYP71AV1、CPR、DBR2无明显变化，Western blot进一步证实FPS蛋白水平升高。四倍体青蒿素含量较二倍体提高39%–56%，气孔长度从12.1 μm增至17.9 μm，密度则显著下降。结果表明，多倍化通过上调青蒿素生物合成途径中关键酶基因的表达来提升产量，其中HMGR、FPS和Aldh1是主要贡献节点，这为利用多倍化策略改良青蒿品种提供了分子层面的依据，也提示在诱导多倍体时应选用高青蒿素含量的二倍体材料作为亲本。
创新点
首次系统比较了四倍体与二倍体青蒿中10个青蒿素生物合成相关基因的表达差异，发现HMGR、FPS和Aldh1显著上调，并在蛋白水平验证FPS表达升高，为多倍化提高次生代谢产物含量提供了分子证据。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径第一个限速酶，催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，四倍体中表达显著上调 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径关键酶，催化DXP转化为MEP，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径初始酶，催化丙酮酸和甘油醛-3-磷酸合成DXP，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成FPP，四倍体中转录和蛋白水平均显著上调 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FPP环化生成紫穗槐-4,11-二烯，四倍体中表达轻微上调 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | 竞争途径酶，催化FPP转化为鲨烯，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶CYP71AV1 | 催化 | 催化紫穗槐-4,11-二烯三步氧化生成青蒿酸，需要CPR作为氧化还原伴侣，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 作为CYP71AV1的氧化还原伴侣，传递电子，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛双键还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛，表达无显著差异 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | Aldh1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化青蒿醛氧化为青蒿酸及二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸，四倍体中表达显著上调 |
关键发现
- 四倍体青蒿中青蒿素含量比二倍体提高39%-56%
- 四倍体气孔长度平均17.9±1.12 μm，比二倍体（12.1±0.98 μm）长48%
- 气孔密度从二倍体的29.6±3.18个/0.15mm²降至四倍体的15.8±2.95个/0.15mm²
- 秋水仙素诱导四倍体成功率为25%
- HMGR、FPS、Aldh1基因表达显著上调，ADS轻微上调，DXS、DXR、CYP71AV1、CPR、DBR2无明显差异
- Western blot证实四倍体FPS蛋白表达量更高。
研究结论
四倍体青蒿通过上调青蒿素生物合成途径中关键酶基因（尤其是HMGR、FPS和Aldh1）的表达，导致青蒿素含量显著提高；建议在农业上选用杂交或转基因高青蒿素品种作为二倍体祖先进行多倍体诱导。