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      中藥資源中心聯合上海交通大學在國際頂級期刊上發表“藥用植物高價值活性成分的轉錄調控網絡”綜述

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      1月6日,中國中醫科學院中藥資源中心/部局共建道地藥材國家重點實驗室黃璐琦院士團隊聯合上海交通大學唐克軒教授課題組等在Cell旗下的植物科學領域頂級綜述類期刊Trends in Plant Science發表了題為“Transcriptional regulatory network of high-value active ingredients in medicinal plants”的論文。該文從環境因子和激素信號方面綜述了黃花蒿、丹參、長春花、紅豆杉屬及人參屬中多種高價值活性成分生物合成途徑的轉錄調控模式,歸納出“環境因子—激素信號—轉錄因子—活性成分”這一調控網絡及其對應的研究方法(圖1)。為揭示逆境效應及道地藥材形成機制提供一種理論依據,也為日后基因編輯“搭建”活性成分調控網絡的種質創新方式提供參考。

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      圖1 藥用植物活性成分轉錄調控網絡及多組學研究方法

      調控網絡:環境因子—激素信號—轉錄因子—活性成分

      植物激素,如茉莉酸(JA)、脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、赤霉素(GA)、乙烯(Eth)和吲哚乙酸(IAA),可以通過響應干旱、冷熱、低氧、紫外輻射、重金屬、病原體和動物取食等非生物和生物脅迫而發揮作用,其作為環境因子與轉錄因子之間的“掮客”,相互協同或拮抗調控著藥用植物活性成分的生物合成(圖1B),這也是逆境促進藥用植物活性成分積累的原因之一。藥用植物活性成分生物合成的轉錄調控機制復雜而多層次,是目前分子生藥學的研究熱點。文中提到ERF、bZIP、bHLH、MYC、MYB、WRKY等多家族轉錄因子受環境/激素誘導后,分別在不同藥用植物中呈現出對活性成分生物合成的顯著調控能力,最終形成從環境因子到活性成分的調控網絡。

      搭建方法:激素信號轉導與轉錄調控

      十多年前,同源克隆是用于分離黃花蒿和丹參轉錄因子的主要方法。如今,基于基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、互作組學和代謝組學,極大地推進了藥用植物激素信號途徑關鍵蛋白及轉錄因子的篩選過程。

      在激素信號轉導方面,酵母雙雜交及篩庫(Y2H)、蛋白Pull-Down、雙分子熒光互補(BiFC)、螢火蟲熒光素酶片段互補圖像技術(LCI)、免疫共沉淀(CoIP)等體內外結合實驗,可用于篩選驗證信號轉導途徑中的互作蛋白及互作方式;在轉錄調控網絡方面,酵母單雜交及篩庫(Y1H)、凝膠阻滯實驗(EMSA)、DNA親和純化測序(DAP-seq)、雙熒光素酶檢測(Dual-LUC)、染色質免疫共沉淀(ChIP)等體內外結合實驗,配合轉基因植株的表型分析,可用于篩選驗證轉錄調控過程中的轉錄因子及靶基因。在不斷更新迭代的方法中,研究人員能夠高效地發現活性成分,破譯相關的生物合成途徑,并揭示調控網絡機制(圖1A)。

      模式植物:丹參,調控網絡研究的藥用模式植物

      綜述也發現丹參為二倍體植物,有自交6代的純合株系及相應的基因組信息,且具有世代周期短、遺傳轉化體系成熟、丹參酮生物合成途徑較清晰、轉錄調控網絡豐富且受多激素誘導等特點(圖2),具備作為藥用模式植物的生物學基礎,是研究二萜類活性成分調控網絡分子機制的理想對象。

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      圖2 丹參中丹參酮和酚酸生物合成的轉錄調控網絡

      展望

      隨著藥用植物調控領域研究的不斷深入,控制活性成分生物合成的調控網絡被逐步揭示,道地藥材的形成機制將逐漸清晰。在可預見的未來,精準的基因編輯技術可以通過“搭建”特定的調控網絡來模擬逆境效應重塑藥用植物生理過程或強化目標活性成分的積累,為藥用植物的種質創新提供理論依據。

      該領域亟待解決的科學問題

      1. 迄今為止,在大多數藥用植物中,活性成分生物合成的轉錄調控的分子機制仍不清楚。我們如何組合使用多組學技術,如單細胞組學、蛋白質組學、表觀遺傳組學、表型組學,特別是基因組學、轉錄組學和代謝組學,更有效地剖析分子機制?

      2. 我們如何識別參與活性成分生物合成的核心轉錄因子,類似于擬南芥中的AtMYB12,可以激活單個生物合成途徑中的多個基因?

      3. 已報道的調控活性成分生物合成的轉錄因子之間的關系是什么?轉錄因子是如何在藥用植物中形成轉錄調控網絡的?             

      4. 藥用植物中,JA-TFs調控網絡是調控活性成分生物合成的核心網絡嗎?

      5. 不同的信號,如JA和光、JA和ABA、JA和GA等是如何互作調控藥用植物活性成分生物合成的?

      6. 轉錄調控網絡能否在不影響藥用植物正常生長發育的情況下控制活性成分積累?

      中藥資源中心鄭漢博士、上海交通大學付雪晴助理研究員、邵金博士和西南大學唐岳立講師為論文共同第一作者,中國中醫科學院黃璐琦院士和上海交通大學唐克軒教授為論文共同通訊作者。該工作得到了中央本級重大增減支項目“名貴中藥資源可持續利用能力建設”(2060302)、中國中醫科學院科技創新工程項目(CI2021A041003)等項目的資助。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.12.007

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