Cellular engineering of Artemisia annua and Artemisia dubia with the rol ABC genes for enhanced production of potent anti-malarial drug artemisinin
- 作者
- Bushra Hafeez Kiani, John Suberu, Bushra Mirza
- 单位
- Quaid-i-Azam University; University of Warwick; University of Cambridge
- 杂志
- Malaria Journal（2016）
- DOI
- 10.1186/s12936-016-1312-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素天然产量低，难以满足市场需求，需要提高 Artemisia annua 和 Artemisia dubia 中青蒿素的含量
研究策略
利用农杆菌介导的遗传转化，将 rol ABC 基因导入 Artemisia annua 和 Artemisia dubia，比较转基因与非转基因植株的青蒿素含量、关键生物合成基因表达及毛状体密度
核心内容
本研究通过农杆菌介导的遗传转化，将rol ABC基因导入青蒿（Artemisia annua）和Artemisia dubia，旨在提高青蒿素产量。转基因 shoots 中，A. annua 的青蒿素含量达33.12 mg/g DW，对照仅为3.94 mg/g DW；A. dubia 则从0.11 mg/g DW提升至2.32 mg/g DW。关键生物合成基因表达显著上调，A. annua 中CYP71AV1、ADS、ALDH1和TFAR1分别增加约5倍、11倍、7倍和10倍，A. dubia 中相应增加约120倍、270倍、5倍和300倍。值得注意的是，转基因根和毛状根中虽无毛状体，却检测到显著青蒿素积累（A. annua 毛状根达12.45 mg/g DW，对照根仅0.02 mg/g DW），挑战了青蒿素仅在腺毛中合成的传统观点。这些结果表明rol ABC基因转化能有效提升青蒿素产量，且青蒿素合成可能不局限于腺毛，为通过根器官培养等替代策略满足抗疟药物需求提供了新思路。
创新点
首次在 Artemisia dubia 中转入 rol ABC 基因并证明其显著提高青蒿素产量；发现根和毛状根也能大量合成青蒿素，挑战了青蒿素仅在腺毛中合成的传统观点
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | rol A | RolA | 调控 | 来自农杆菌T-DNA，刺激植物生长和次生代谢 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | rol B | RolB | 调控 | 具有酪氨酸磷酸酶活性，可能参与生长素信号转导 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成途径 | rol C | RolC | 调控 | 具有细胞分裂素葡萄糖苷酶活性，释放活性细胞分裂素 |
| Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | rol A | RolA | 调控 | 来自农杆菌T-DNA，刺激植物生长和次生代谢 |
| Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | rol B | RolB | 调控 | 具有酪氨酸磷酸酶活性 |
| Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | rol C | RolC | 调控 | 具有细胞分裂素葡萄糖苷酶活性 |
| Artemisia annua / Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | ADS | Amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 催化法尼基焦磷酸环化生成amorpha-4,11-二烯 |
| Artemisia annua / Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | Cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 催化amorpha-4,11-二烯氧化为青蒿醇 |
| Artemisia annua / Artemisia dubia | 青蒿素生物合成途径 | ALDH1 | Aldehyde dehydrogenase 1 | 催化 | 催化青蒿醛和双氢青蒿醛氧化为相应酸 |
| Artemisia annua / Artemisia dubia | 毛状体发育与倍半萜生物合成 | TFAR1 | Trichome-specific fatty acyl-CoA reductase 1 | 催化 | 参与毛状体发育和倍半萜类生物合成 |
关键发现
- Artemisia annua 转基因 shoots 中青蒿素含量为
- 12 mg/g DW，对照为
- 94 mg/g DW；转基因根为
- 72 mg/g DW，毛状根为
- 45 mg/g DW，对照根仅
- 02 mg/g DW。Artemisia dubia 转基因 shoots 中青蒿素含量为
- 32 mg/g DW，对照为
- 11 mg/g DW；转基因根为
- 91 mg/g DW，毛状根为
- 48 mg/g DW，对照根未检出。转基因叶片中 CYP71AV1 表达量分别增加约 5 倍（A. annua）和约 120 倍（A. dubia）；ADS 增加约 11 倍和约 270 倍；ALDH1 增加约 7 倍和约 5 倍；TFAR1 增加约 10 倍和约 300 倍。A. annua 转基因叶片毛状体密度约 222 个/5 mm²，对照约 120 个/5 mm²；A. dubia 转基因叶片约 173 个/5 mm²，对照约 173 个/5 mm²（原文数据）。在根和毛状根中未发现毛状体，但检测到显著青蒿素含量和基因表达。
研究结论
将 rol ABC 基因转化 Artemisia annua 和 Artemisia dubia 能显著提高青蒿素产量，且转基因植物根中也能合成青蒿素，表明青蒿素合成不局限于腺毛；该策略有助于满足对青蒿素日益增长的需求。