低溫誘導(dǎo)青蒿素生物合成Δ

楊瑞儀，盧元媛，楊雪芹，馮麗玲，曾慶平（廣州中醫(yī)藥大學(xué)熱帶醫(yī)學(xué)研究所，廣州市 510405）

青蒿素是20世紀(jì)70年代由我國(guó)科學(xué)家根據(jù)古籍記載及民間驗(yàn)方首先從中草藥黃花蒿Artemisia annuaL.中發(fā)現(xiàn)并率先應(yīng)用的抗瘧藥。由于其安全性、有效性和速效性，以青蒿素為基礎(chǔ)的聯(lián)合治療方案被世界衛(wèi)生組織推薦在世界各大主要瘧疾流行區(qū)推廣應(yīng)用。除此以外，青蒿素類藥對(duì)于其他傳染病（如血吸蟲病、乙型肝炎等）和癌癥[1]也具有一定的療效。因此，青蒿素的藥用價(jià)值非常大。黃花蒿是目前發(fā)現(xiàn)的唯一能合成青蒿素的天然植物，但產(chǎn)量很低，僅為0.01%～0.8%左右。有觀點(diǎn)認(rèn)為，在雙氫青蒿酸前體向青蒿素轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，青蒿素發(fā)揮著活性氧（Reactive oxygen species，ROS）自由基儲(chǔ)備池的作用，其獨(dú)特的過(guò)氧橋結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是雙氫青蒿酸淬滅ROS生成氫過(guò)氧化物中間體后產(chǎn)生的最終產(chǎn)物[2]。Wallaart TE等[3]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)夜霜季節(jié)后，青蒿素含量升高并伴隨著雙氫青蒿酸的下降，推測(cè)霜凍可能作為一種壓力條件啟動(dòng)了雙氫青蒿酸向青蒿素的轉(zhuǎn)化。在環(huán)境脅迫（冷、熱、強(qiáng)光、干旱、鹽堿等）下，植物中由ROS造成的氧化脅迫是一種普遍現(xiàn)象。雖然氧化脅迫誘導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物合成的研究已先后在人參、紅豆杉、丹參、長(zhǎng)春花中報(bào)道，但關(guān)于氧化脅迫與青蒿素合成之間相互關(guān)系的研究相對(duì)較少。本研究以低溫為脅迫條件，研究其對(duì)黃花蒿氧化還原狀態(tài)及青蒿素合成的影響。

1 儀器與試藥

P680型高效液相色譜儀（美國(guó)Dionex公司）；Ultrospec 3300pro型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)（美國(guó)GE公司）；ABI7300型實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀（美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)公司）；SPX-250B-G型微電腦光照培養(yǎng)箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司）。

黃花蒿種子（重慶酉陽(yáng)，華陽(yáng)2號(hào)）由廣州中醫(yī)藥大學(xué)青蒿研究中心鑒定為真品，廣州中醫(yī)藥大學(xué)熱帶醫(yī)學(xué)研究所保存；青蒿素標(biāo)準(zhǔn)品（批號(hào)：13806ED）、組氨酸（批號(hào)：423834）均購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；N，N-二甲基-對(duì)-亞硝基苯胺（日本東京化成工業(yè)株式會(huì)社，批號(hào)：3Q58C）；RNAprep pure植物總RNA提取試劑盒（天根生化科技北京有限公司）；RevertAidTMH Minus First Strand cDNA Synthesis Kit（美國(guó)Fermentas中國(guó)公司）；SYBR Green Realtime PCR Master Mix（日本Toyobo公司）；引物由美國(guó)Invitrogen中國(guó)總公司合成；其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

2 方法與結(jié)果

2.1 植物培養(yǎng)及低溫處理

黃花蒿種子用70%乙醇浸潤(rùn)30 s，3%NaOCl浸泡30 min，無(wú)菌水漂洗4～5次，均勻散播在1/2 Murashige and Skoog（1/2MS）培養(yǎng)基潤(rùn)濕的濾紙上避光發(fā)芽。種子發(fā)芽后移至含0.8%瓊脂的1/2MS固體培養(yǎng)基上，25℃光照培養(yǎng)（光周期：16 h光/8 h暗）。種子發(fā)芽30 d后，選取長(zhǎng)勢(shì)均一的無(wú)菌苗移至4℃光照培養(yǎng)箱進(jìn)行低溫處理（光周期：16 h光/8 h暗）。

2.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

試驗(yàn)中每個(gè)指標(biāo)的測(cè)定均重復(fù)6個(gè)樣本（n＝6），每個(gè)樣本測(cè)定均重復(fù)3次。數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析。

2.3 低溫對(duì)青蒿素合成的影響

青蒿素含量測(cè)定：葉片于50℃烘箱中烘24 h，烘干后研成細(xì)粉，過(guò)篩，精確稱取0.100 g，置于10 mL容量瓶中，加入丙酮10 mL，超聲波提取30 min，用丙酮補(bǔ)足至10 mL。提取液過(guò)濾后進(jìn)樣檢測(cè)。同時(shí)，精確稱取青蒿素標(biāo)準(zhǔn)品0.010 g，加入甲醇溶解配成濃度為0.298 mg·mL-1的溶液，分別取6、10、14、20、30 μL進(jìn)樣，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線。色譜條件：色譜柱為Phenomenex BDS C18（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為乙腈-水（48∶52，V/V），流速為1 mL·min-1，柱溫為30 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)為216 nm。以每1 g干重葉片所含青蒿素量來(lái)表示青蒿素含量，單位為mg·g-1。

與25℃比較，經(jīng)過(guò)4℃低溫處理4 h后，青蒿素含量開(kāi)始上升（P＜0.05），24 h后上升幅度加大（P＜0.01）。冷刺激4、24和48 h后青蒿素含量分別提高20%、65%和80%。4℃處理對(duì)青蒿素合成的影響見(jiàn)圖1。

2.4 低溫對(duì)黃花蒿單線態(tài)氧（1O2）和過(guò)氧化氫（H2O2）生成的影響

圖1 4℃處理對(duì)青蒿素合成的影響（n＝6）與25 ℃對(duì)照比較：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01Fig 1 Effects of 4℃treatment on the biosynthesis of artemisini（nn＝6）vs.25 ℃ controls：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01

H2O2的測(cè)定參照硫酸鈦沉淀法[4]，以每1 g鮮重葉片中所含H2O2量來(lái)表示H2O2濃度，單位為μmol·g-1。1O2的檢測(cè)參照文獻(xiàn)[5]，反應(yīng)液中加入有顏色的N，N-二甲基-對(duì)-亞硝基苯胺作為1O2的吸收劑，通過(guò)N，N-二甲基-對(duì)-亞硝基苯胺的漂白反應(yīng)（吸光度（OD）值下降）來(lái)檢測(cè)1O2的生成。具體來(lái)說(shuō)，5 mL反應(yīng)液（45 mmol·L-1pH7.1 PBS、10 mmol·L-1組氨酸、50 μmol·L-1N，N-二甲基-對(duì)-亞硝基苯胺）中加入150 mg剪碎的葉片，空白對(duì)照不加葉片。光照（3 000 lx）下反應(yīng)1 h，反應(yīng)液10倍稀釋后讀取440 nm波長(zhǎng)處的OD值。按下式計(jì)算低溫處理相對(duì)于對(duì)照條件（25℃）1O2的生成率：[（OD440（空白）－OD440（4℃））/（OD440（空白）－OD440（25℃））]×100%。

在4℃處理過(guò)程中，黃花蒿葉片1O2和H2O2的含量都是先升高后降低，在4 h后即達(dá)到最大值。以1O2相對(duì)生成率（4℃/25℃）來(lái)表示低溫處理下1O2的生成變化，處理4 h后1O2上升1倍，隨后下降，在24和48 h分別比對(duì)照高40%和30%；H2O2含量在4 h時(shí)為對(duì)照的1.6倍，并維持至24 h，處理48 h后，H2O2含量回落至略高于對(duì)照水平。4℃處理對(duì)1O2生成率的影響見(jiàn)圖2；4℃處理對(duì)H2O2生成量的影響見(jiàn)圖3。

圖2 4℃處理對(duì)1O2生成率的影響（n＝6）與0 h比較：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01Fig 2Effects of 4℃treatment on the1O2productio（nn＝6）vs.0 h：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01

2.5 低溫對(duì)過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的影響

CAT活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[6]，精確稱取0.500 g葉片，加入少量石英砂、2 mL 2%聚乙烯吡咯烷酮、100 mg CaCO3，冰浴研磨成勻漿，4 ℃12 000 r·min-1離心 5 min，取上清加入 50 mmol·L-1pH7.0的PBS定容至10 mL，此為CAT粗酶提取液。取10倍稀釋的CAT粗酶提取液1.00 mL，加入10 mmol·L-1H2O22.00 mL，迅速混勻，5 min內(nèi)連續(xù)讀取波長(zhǎng)240 nm處的OD值，計(jì)算每分鐘的OD值變化（ΔOD240）。以1.00 mL 10倍稀釋的CAT粗酶提取液與2.00 mL H2O的混合液為空白對(duì)照。用每1 g鮮重葉片每1 min催化H2O2分解的量來(lái)表示CAT活性，單位為μmol·min-1·g-1。

與25℃對(duì)照比較，CAT活性在4℃處理4 h后提高了2.2倍，并進(jìn)一步升高，在24 h達(dá)到最大值，為對(duì)照的5.3倍。48 h后CAT活性有所下降，但維持在對(duì)照的2.8倍水平。4℃處理對(duì)CAT活性的影響見(jiàn)圖4。

圖3 4℃處理對(duì)H2O2生成量的影響（n＝6）與25℃對(duì)照比較：＊P＜0.05Fig3 Effects of 4℃treatment on the production of H2O2（n＝6）vs.25 ℃ controls：＊P＜0.05

圖4 4℃處理對(duì)CAT活性的影響（n＝6）與25 ℃對(duì)照比較：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01Fig4 Effects of 4 ℃ treatment on activities of CAT（n＝6）vs.25 ℃ controls：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01

2.6 低溫對(duì)黃花蒿基因表達(dá)的影響

2.6.1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR（RTFQ-PCR） 取葉片100 mg，按照RNAprep pure植物總RNA提取試劑盒說(shuō)明書提取總RNA。取1 μg 總RNA，按照RevertAidTMH Minus First Strand cDNA Synthesis Kit說(shuō)明書進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，合成cDNA。以10倍稀釋的cDNA為模板與SYBR Green Realtime PCR Master Mix混合，RTFQ-PCR反應(yīng)在ABI7300實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀上進(jìn)行。定量PCR引物見(jiàn)表1（以actin基因?yàn)閮?nèi)參，基因的相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平＝基因mRNA拷貝數(shù)/actin mRNA拷貝數(shù)）。

表1 定量PCR引物Tab1 Primers for real time fluorescence quantitative PCR

2.6.2 低溫對(duì)青蒿素生物合成基因表達(dá)的影響 經(jīng)過(guò)4℃低溫處理24 h后，青蒿素合成相關(guān)基因[3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶基因（HMGR）、法呢基焦磷酸合酶基因（FPS）、紫穗槐二烯合酶基因（ADS）、細(xì)胞色素P450單加氧酶基因（CYP71AV1）、細(xì)胞色素P450氧化還原酶基因（CPR）和青蒿醛Δ11（13）雙鍵還原酶基因（DBR2）]的表達(dá)都普遍上調(diào)。其中ADS和HMGR的上調(diào)幅度較大，轉(zhuǎn)錄水平比對(duì)照增加16倍和3.2倍。其余基因CYP71AV1、DBR2、CPR與FPS的mRNA水平分別為對(duì)照的2.8、2.5、1.9與1.5倍。4℃處理對(duì)青蒿素生物合成基因表達(dá)的影響見(jiàn)表2。

2.6.3 低溫對(duì)其他萜類合成基因表達(dá)的影響 在黃花蒿中，法呢基焦磷酸（FPP）是萜類合成的一個(gè)重要的分支起點(diǎn)，除紫穗槐二烯合酶（ADS）以此為底物開(kāi)始青蒿素合成外，同樣以FPP為底物的萜類合酶還有合成鯊烯的鯊烯合酶（SQS）、合成β-石竹烯的β-石竹烯合酶（CS）、合成（E）-β-法呢烯的（E）-β-法呢烯合酶（FS）以及合成表柏木腦和柏木腦的柏木腦合酶（EPS）等。經(jīng)過(guò)4℃低溫處理24 h后，ADS基因表達(dá)大幅上調(diào)的同時(shí)，各競(jìng)爭(zhēng)途徑的萜類合酶基因的表達(dá)在低溫誘導(dǎo)條件下也呈現(xiàn)不同的變化。SQS和FS基因?qū)Φ蜏卣T導(dǎo)無(wú)應(yīng)答，誘導(dǎo)前后表達(dá)水平無(wú)明顯差異，而EPS基因的表達(dá)提高3倍，CS基因的表達(dá)則顯著下降近20倍。4℃處理對(duì)青蒿萜類合成基因表達(dá)的影響見(jiàn)表3。

表2 4℃處理對(duì)青蒿素生物合成基因表達(dá)的影響（±s，n＝6）Tab2 Effects of 4℃treatment on transcriptional expressions of artemisinin biosynthetic gene（±s，n＝6）

表2 4℃處理對(duì)青蒿素生物合成基因表達(dá)的影響（±s，n＝6）Tab2 Effects of 4℃treatment on transcriptional expressions of artemisinin biosynthetic gene（±s，n＝6）

與25 ℃對(duì)照比較：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01vs.25 ℃ controls：＊P＜0.05，＊＊P＜0.01

溫度/℃25 4基因mRNA拷貝數(shù)/actin mRNA拷貝數(shù)DBR2 2.05±0.33 5.04±1.68＊＊HMGR 0.08±0.03 0.35±0.03＊＊FPS 0.11±0.02 0.28±0.18＊ADS 0.17±0.04 2.92±0.19＊＊CYP71AV1 0.05±0.02 0.13±0.03＊＊CPR 1.58±0.25 2.95±0.29＊＊

表3 4℃處理對(duì)青蒿萜類合成基因表達(dá)的影響（±s，n＝6）Tab3 Effects of 4℃treatment on transcriptional expressions of terpenoids biosynthetic gene（±s，n＝6）

表3 4℃處理對(duì)青蒿萜類合成基因表達(dá)的影響（±s，n＝6）Tab3 Effects of 4℃treatment on transcriptional expressions of terpenoids biosynthetic gene（±s，n＝6）

與25℃對(duì)照比較：＊P＜0.01vs.25 ℃ controls：＊P＜0.01

溫度/℃25 4基因mRNA拷貝數(shù)/actin mRNA拷貝數(shù)EPS 0.31±0.14 1.21±0.39＊SQS 0.51±0.06 0.54±0.18 CS 0.68±0.19 0.03±0.01＊FS 0.29±0.05 0.32±0.05

3 討論

植物的大多數(shù)生理生化過(guò)程都有ROS的產(chǎn)生。一般認(rèn)為ROS是一種有害的氧代謝中間物，是引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能損傷的主要因素；但同時(shí)ROS也是一種普遍存在的信號(hào)分子，參與植物的防御反應(yīng)、基因表達(dá)調(diào)控等。Wallaart TE等[2，7]從黃花蒿中檢測(cè)到雙氫青蒿酸及其氫過(guò)氧化物，首次提出雙氫青蒿酸可能充當(dāng)ROS清除劑的假設(shè)，并認(rèn)為雙氫青蒿酸可能通過(guò)參與氧自由基催化的非酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成青蒿素。雙氫青蒿酸等青蒿素合成前體在黃花蒿中的含量相對(duì)較為豐富，但進(jìn)一步的過(guò)氧化反應(yīng)似乎成為青蒿素合成的瓶頸，而1O2等ROS在此過(guò)程中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在黃花蒿褐變的老葉中檢測(cè)到1O2濃度暴發(fā)式增長(zhǎng)，同時(shí)青蒿素前體轉(zhuǎn)化成青蒿素的速度加快，青蒿素產(chǎn)量提高[8，9]。一些人工模擬的脅迫條件，如高濃度鹽和重金屬[10]、寡糖誘激子[11]等也同樣可以通過(guò)促進(jìn)ROS生成而有利于青蒿素的積累。在本研究中，經(jīng)過(guò)4℃低溫處理后，黃花蒿中1O2和H2O2濃度逐漸上升，但48 h后伴隨著CAT活性和青蒿素含量的提高，濃度開(kāi)始下降。Pu GB等[4]用水楊酸處理黃花蒿發(fā)現(xiàn)H2O2和超氧陰離子濃度在4 h迅速升高，促使雙氫青蒿酸向青蒿素轉(zhuǎn)化，而后隨著青蒿素含量的逐漸上升而逐步下降，與本研究結(jié)果相符，揭示ROS可能作為信號(hào)分子促進(jìn)青蒿素的轉(zhuǎn)化。

另外，本研究還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)低溫處理后青蒿素合成相關(guān)基因的表達(dá)普遍上調(diào)，尤其是編碼青蒿素特異合成途徑的第一個(gè)關(guān)鍵限速酶——ADS的基因表達(dá)上升幅度最大。本課題組在以往的研究中也發(fā)現(xiàn)4℃處理黃花蒿苗30 min后，ADS、CYP71AV1和CPR的表達(dá)量上調(diào)，但上調(diào)幅度不如作用24 h高[12]。在蛋白表達(dá)水平上也證實(shí)，經(jīng)過(guò)冷誘導(dǎo)后，ADS與CYP71AV1這兩個(gè)酶的濃度分別上升50%和80%[13]。用水楊酸處理黃花蒿同樣也可見(jiàn)ADS和HMGR表達(dá)量提高，而青蒿酸、雙氫青蒿酸和青蒿素含量也相應(yīng)提高[4]?？梢?jiàn)，低溫脅迫可通過(guò)直接誘導(dǎo)青蒿素合成相關(guān)基因表達(dá)而促進(jìn)青蒿素合成。在黃花蒿中，以FPP為底物可以在不同的萜類合酶的作用下開(kāi)始不同的萜類合成，調(diào)控這些萜類合酶的表達(dá)，比如過(guò)量表達(dá)ADS基因，同時(shí)抑制與青蒿素合成競(jìng)爭(zhēng)底物的酶的基因表達(dá)，這對(duì)于增加青蒿素生物合成途徑的代謝流量、促進(jìn)青蒿素合成有積極的意義。本課題組利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化法將反義SQS整合于黃花蒿基因組，通過(guò)表達(dá)反義SQS來(lái)阻遏SQS表達(dá)，減少類固醇合成途徑對(duì)底物FPP的競(jìng)爭(zhēng)性利用，獲得了高產(chǎn)青蒿素的轉(zhuǎn)基因株，其SQS表達(dá)水平最高下降90%，ADS表達(dá)水平為原來(lái)的3倍，表明在壓力作用下萜類合成的代謝流量會(huì)發(fā)生變化[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫條件一方面可促進(jìn)青蒿素合成途徑ADS的表達(dá)；另一方面可抑制青蒿素合成競(jìng)爭(zhēng)途徑CS基因的表達(dá)，以改變代謝流方向。

綜上，短暫的低溫刺激可能通過(guò)以下途徑提高青蒿素的合成：（1）產(chǎn)生高濃度ROS促進(jìn)青蒿素合成前體的轉(zhuǎn)化；（2）誘導(dǎo)青蒿素合成相關(guān)基因尤其是特異酶基因表達(dá)，促進(jìn)青蒿素前體合成；（3）刺激青蒿素生物合成途徑，抑制競(jìng)爭(zhēng)途徑，藉此增加青蒿素合成途徑的代謝流量。本研究結(jié)果對(duì)于今后利用氧化脅迫條件提高青蒿素產(chǎn)量有重要意義。

[1]謝 紅，陳立軍，呼文亮.雙氫青蒿素的抗腫瘤作用[J].中國(guó)藥房，2007，18（3）：218.

[2]Wallaart TE，van Uden W，Lubberink HG，et al.Isolation and identification of dihydroartemisinic acid fromArtemisia annuaand its role in the biosynthesis of artemisinin[J].J Nat Prod，1999，62（3）：430.

[3]Wallaart TE，Pras N，Beekman AC，et al.Seasonal variation of artemisinin and its biosynthetic precursors in plants ofArtemisia annuaof different geographical origin：proof for the existence of chemotypes[J].Planta Med，2000，66（1）：57.

[4]Pu GB，Ma DM，Chen JL，et al.Salicylic acid activates artemisinin biosynthesis inArtemisia annuaL.[J].Plant Cell Rep，2009，28（7）：1 127.

[5]Guo XX，Yang XQ，Yang RY，et al.Salicylic acid and methyl jasmonate but not rose Bengal enhance artemisinin production through invoking burst of endogenous singlet oxygen[J].Plant Science，2010，178（4）：390.

[6]陳曉敏.測(cè)定切花中過(guò)氧化氫酶活性的3種常用方法的比較[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，22（5）：13.

[7]Wallaart TE，Pras N，Quax WJ.Isolation and identification of dihydroartemisinic acid hydroperoxide fromArtemisia annua：a novel biosynthesis precursor of artemisinin[J].J Nat Prod，1999，62（3）：1 160.

[8]Lommen WJ，Schenk E，Bouwmeester HJ，et al.Trichome dynamics and artemisinin accumulation during development and senescence ofArtemisia annualeaves[J].Planta Med，2006，72（4）：336.

[9]Feng LL，Yang RY，Yang XQ，et al.Synergistic rechanneling of mevalonate pathway for enhanced artemisinin production in transgenicArtemisia annua[J].Plant Science，2009，177（1）：57.

[10]Irfan QM，Israr M，Abdin MZ，et al.Responses ofArte-misia annuaL.to lead and salt-induced oxidative stress[J].Environ Exp Bot，2005，53（2）：185.

[11]Zheng LP，Guo YT，Wang JW，et al.Nitric oxide potentiates oligosaccharide-induced artemisinin production inArtemisia annuahairy roots[J].J Integr Plant Biol，2008，50（1）：49.

[12]尹錄錄，趙 昌，黃 瑛，等.非生物脅迫誘導(dǎo)青蒿素生物合成基因的表達(dá)[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2008，14（1）：1.

[13]Zeng QP，Zeng XM，Yin LL，et al.Quantification of three key enzymes involved inArtemisia annuaby polyclonal antisera-based ELISA[J].Plant Mol Biol Rep，2009，27（1）：50.

[14]Yang RY，F(xiàn)eng LL，Yang XQ，et al.Quantitative transcript profiling reveals down-regulation of a sterol pathway relevant gene and overexpression of artemisinin biogenetic genes in transgenicArtemisia annuaplants[J].Planta Med，2008，74（12）：1 510.