Discovery and modulation of diterpenoid metabolism improves glandular trichome formation, artemisinin production and stress resilience in Artemisia annua

青蒿 青蒿素 毛状体 次生代谢 生物 新陈代谢 萜类 植物 生物合成 蒿属 化学 生物化学 恶性疟原虫 疟疾 免疫学
作者
Ruibing Chen,Yuejuan Bu,Junze Ren,Kyle A. Pelot,Xiangyang Hu,Yong Diao,Wansheng Chen,Philipp Zerbe,Lei Zhang
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
卷期号:230 (6): 2387-2403 被引量:24
标识
DOI:10.1111/nph.17351
摘要

Plants synthesize diverse diterpenoids with numerous functions in organ development and stress resistance. However, the role of diterpenoids in glandular trichome (GT) development and GT-localized biosynthesis in plants remains unknown. Here, the identification of 10 diterpene synthases (diTPSs) revealed the diversity of diterpenoid biosynthesis in Artemisia annua. Protein-protein interactions (PPIs) between AaKSL1 and AaCPS2 in the plastids highlighted their potential functions in modulating metabolic flux to gibberellins (GAs) or ent-isopimara-7,15-diene-derived metabolites (IDMs) through metabolic engineering. A phenotypic analysis of transgenic plants suggested a complex repertoire of diterpenoids in Artemisia annua with important roles in GT formation, artemisinin accumulation and stress resilience. Metabolic engineering of diterpenoids simultaneously increased the artemisinin yield and stress resistance. Transcriptome and metabolic profiling suggested that bioactive GA4 /GA1 promote GT formation. Collectively, these results expand our knowledge of diterpenoids and show the potential of diterpenoids to simultaneously improve both the GT-localized metabolite yield and stress resistance, in planta.
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