药用植物高价值活性成分的转录调控网络

以下文章来源于分子生药创新团队 ，作者郑汉

药用植物中的活性成分因其在疾病治疗上的重要作用而被广泛关注，如抗疟疾的青蒿素、抗心血管疾病的丹参酮和丹酚酸、抗癌的紫杉醇和长春碱以及参与免疫调节的人参皂苷等高价值成分。而环境因子中的生物及非生物胁迫被认为是促进药用植物活性成分积累的核心原因之一，也是道地药材形成过程中的关键因素。因此，环境因子影响药用植物活性成分积累的分子机制是什么？

2023年1月6日，上海交通大学、中国中医科学院中药资源中心和西南大学等多所高校及科研单位在Cell旗下的植物科学领域顶级综述类期刊Trends in Plant Science（IF=22.012）发表了题为“Transcriptional regulatory network of high-value active ingredients in medicinal plants”的论文。本文从环境因子和激素信号方面综述了黄花蒿、丹参、长春花、红豆杉属及人参属中多种高价值活性成分生物合成途径的转录调控模式，归纳出“环境因子—激素信号—转录因子—活性成分”这一调控网络及其对应的研究方法（图1）。为揭示逆境效应及道地药材形成机制提供一种理论依据，也为日后基因编辑“搭建”活性成分调控网络的种质创新方式提供参考。

图1 药用植物活性成分转录调控网络及多组学研究方法

调控网络：环境因子—激素信号—转录因子—活性成分

植物激素，如茉莉酸（JA）、脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）、赤霉素（GA）、乙烯（Eth）和吲哚乙酸（IAA），可以通过响应干旱、冷热、低氧、紫外辐射、重金属、病原体和动物取食等非生物和生物胁迫而发挥作用，其作为环境因子与转录因子之间的“掮客”，相互协同或拮抗调控着药用植物活性成分的生物合成（图1B），这也是逆境促进药用植物活性成分积累的原因之一。药用植物活性成分生物合成的转录调控机制复杂而多层次，是目前分子生药学的研究热点。文中提到ERF、bZIP、bHLH、MYC、MYB、WRKY等多家族转录因子受环境/激素诱导后，分别在不同药用植物中呈现出对活性成分生物合成的显著调控能力，最终形成从环境因子到活性成分的调控网络。

搭建方法：激素信号转导与转录调控

十多年前，同源克隆是用于分离黄花蒿和丹参转录因子的主要方法。如今，基于基因组学、转录组学、蛋白质组学、互作组学和代谢组学，极大地推进了药用植物激素信号途径关键蛋白及转录因子的筛选过程。

在激素信号转导方面，酵母双杂交及筛库（Y2H）、蛋白Pull-Down、双分子荧光互补（BiFC）、萤火虫荧光素酶片段互补图像技术（LCI）、免疫共沉淀（CoIP）等体内外结合实验，可用于筛选验证信号转导途径中的互作蛋白及互作方式；在转录调控网络方面，酵母单杂交及筛库（Y1H）、凝胶阻滞实验（EMSA）、DNA亲和纯化测序（DAP-seq）、双荧光素酶检测（Dual-LUC）、染色质免疫共沉淀（ChIP）等体内外结合实验，配合转基因植株的表型分析，可用于筛选验证转录调控过程中的转录因子及靶基因。在不断更新迭代的方法中，研究人员能够高效地发现活性成分，破译相关的生物合成途径，并揭示调控网络机制(图1A)。

调控网络研究的药用模式植物：丹参

综述也发现丹参为二倍体植物，有自交6代的纯合株系及相应的基因组信息，且具有世代周期短、遗传转化体系成熟、丹参酮生物合成途径较清晰、转录调控网络丰富且受多激素诱导等特点（图2），具备作为药用模式植物的生物学基础，是研究药用植物活性成分调控网络分子机制的理想对象。

图2 丹参中丹参酮和酚酸生物合成的转录调控网络

展望

随着药用植物调控领域研究的不断深入，控制活性成分生物合成的调控网络被逐步揭示，道地药材的形成机制将逐渐清晰。在可预见的未来，精准的基因编辑技术可以通过“搭建”特定的调控网络来模拟逆境效应，重塑药用植物生理过程或强化目标活性成分的积累，为药用植物的种质创新提供理论依据。

该领域亟待解决的科学问题

1. 迄今为止，在大多数药用植物中，活性成分生物合成的转录调控的分子机制仍不清楚。如何组合使用多组学技术，如单细胞组学、蛋白质组学、表观遗传组学、表型组学，特别是基因组学、转录组学和代谢组学，更有效地剖析分子机制?

2.如何识别参与活性成分生物合成的核心转录因子，类似于拟南芥中的AtMYB12，可以激活单个生物合成途径中的多个基因？

3. 已报道的调控活性成分生物合成的转录因子之间的关系是什么?转录因子是如何在药用植物中形成转录调控网络的?

4. 药用植物中，JA-TFs调控网络是调控活性成分生物合成的核心网络吗？

5. 不同的信号，如JA和光、JA和ABA、JA和GA等是如何互作调控药用植物活性成分生物合成的？

6. 转录调控网络能否在不影响药用植物正常生长发育的情况下控制活性成分积累?

中国中医科学院中药资源中心（上海交通大学在职博士后）郑汉助理研究员、上海交通大学付雪晴助理研究员、邵金博士和西南大学唐岳立讲师为论文共同第一作者，中国中医科学院黄璐琦院士和上海交通大学唐克轩教授为论文共同通讯作者。该工作得到了中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设”（2060302）、中国中医科学院科技创新工程项目（CI2021A041003）等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.12.007

本文转载自分子生药创新团队

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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