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[交大智慧]上海交大团队研究青蒿素合成转录调控及腺毛发育获进展[图]
[发布时间]: 2016年09月26日
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[责任编辑]: 富伟燕 思源

[编者按]一百多年来,交大人用知识和智慧创造累累硕果,谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏,聚焦交大人的智慧之光,展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。

近日,植物科学领域权威杂志《新植物学家》(New Phytologist)连续刊登了2篇研究论文,报道了上海交通大学农业与生物学院唐克轩教授研究团队在青蒿素生物合成转录调控及青蒿腺毛发育研究方面的最新进展:1、The jasmonate-responsive AaMYC2 transcription factor positively regulates artemisinin biosynthesis inArtemisia annua;2、HOMEODOMAIN PROTEIN 1 is required for jasmonate-mediated glandular trichome initiation inArtemisia annua.这些研究为全面解析青蒿素合成代谢调控网络和腺毛发育的分子机理奠定了基础。该研究得到科技部国家863计划重点项目和上海市科委重点项目资助。上海交通大学农业与生物学院唐克轩教授是两篇论文的通讯作者,两篇论文第一作者分别为上海交通大学博士生沈乾和颜廷祥。   

青蒿是我国传统中草药,因其能合成用于治疗疟疾的特效成分青蒿素而闻名全球。疟疾是严重威胁人类健康的疾病,据世界卫生组织(WHO)统计,目前每年约有44万人死于疟疾,其中大部分为妇女和儿童。基于青蒿素的联合治疗法(ACTs)是WHO推荐的最佳治疗方案。因发现具有抗疟作用的青蒿素,挽救了数百万人的生命,屠呦呦教授获得了2015年诺贝尔生理或医学奖。青蒿素主要在青蒿叶片表面的分泌性腺毛中合成和积累,但青蒿中青蒿素的含量仅为其叶片干重的0.1-1%,因此提高青蒿中青蒿素含量成为全球研究的热点。   

唐克轩研究团队长期从事青蒿素生物合成调控及腺毛发育研究工作,积累了丰富的青蒿研究技术手段,成功研制了多个高产青蒿素的青蒿品种。青蒿素是一种含有过氧桥键结构的倍半萜内酯次生代谢产物,其生物合成常常受到植物激素(茉莉酸、脱落酸等)、环境温度、气候等多种因素的影响。前期有报道发现,茉莉酸甲酯处理能够促进青蒿素的合成及提高青蒿叶片表面的腺毛密度,但茉莉酸信号途径参与调控青蒿素生物合成及青蒿腺毛发育的分子机理尚不清晰。   

唐克轩团队以茉莉酸信号途径为切入点,从青蒿素合成代谢转录调控和青蒿腺毛发育调控两方面同时开展研究。在青蒿素合成代谢转录调控研究方面,该研究团队从青蒿中克隆了茉莉酸信号途径核心调控因子AaMYC2,揭示了AaMYC2在青蒿素生物合成中的重要作用。研究发现AaMYC2基因的表达受茉莉酸甲酯诱导,且AaMYC2基因能够部分恢复拟南芥myc2突变体对茉莉酸甲酯不敏感的表型,揭示AaMYC2是青蒿中茉莉酸信号途径上的重要调控因子。酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)实验发现,AaMYC2能够与茉莉酸信号途径负调控类因子JAZs和赤霉素信号途径负调控类因子DELLAs蛋白因子相互作用,表明AaMYC2转录因子位于植物激素信号转导的核心位置。后续通过酵母单杂交(Y1H)实验进一步分析发现AaMYC2转录因子能够直接结合青蒿素生物合成途径上CYP71AV1DBR2两个关键结构酶启动子上的G-box-like元件,从而调控上述基因的表达。最后在青蒿中过量表达和RNAi抑制表达AaMYC2基因进一步确定其功能。转基因青蒿植株分析表明,过量表达AaMYC2使转基因青蒿中青蒿素合成途径关键酶基因的表达都显著提高,从而使得青蒿素的生物合成量也显著提高;相反,通过RNAi干扰AaMYC2基因的表达后其结果刚好相反,由此证明AaMYC2转录因子是青蒿中茉莉酸信号途径重要调控因子,提出了其参与青蒿素生物合成调控的模型(图1a)。

在青蒿腺毛发育调控研究方面,该研究团队通过青蒿中茉莉酸信号途径的抑制蛋白AaJAZ8进行酵母双杂交筛库,获得了一个HD-ZIP IV 亚家族转录因子蛋白AaHD1。进一步分析AaHD1基因的表达模式发现其与腺毛的发育起始模式存在很大的相似性,主要在幼嫩叶片的腺毛基部表达。通过分子生物学及生理生化实验分析发现,AaHD1基因受茉莉酸甲酯诱导表达,且AaJAZ8结合AaHD1后能够降低AaHD1蛋白的活性。随后通过青蒿遗传转化实验进一步揭示AaHD1基因在青蒿腺毛发育过中的重要功能。在AaHD1过表达植株中,青蒿叶片表面分泌型和非分泌型腺毛密度均显著提高,同时青蒿素含量也显著提高;在AaHD1RNAi抑制表达植株中两种腺毛密度均显著降低,且青蒿素含量也显著降低,这表明AaHD1可同时参与青蒿分泌型与非分泌型腺毛发育的调控。茉莉酸甲酯长期处理转基因青蒿植株发现,AaHD1RNAi抑制表达植株中其腺毛增加的百分比显著低于野生型植株,这说明AaHD1是茉莉酸信号通路参与调控腺毛发育的一个重要因子。该研究首次对茉莉酸调控的分泌型腺毛发育机制进行了揭示,提出了其调控模型(图1b)。

论文链接:  

1、http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1111/nph.13874/full

2、http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1111/nph.14205/full

 

[作者]: 沈乾 
[摄影]:
[供稿单位]: 农业与生物学院
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