光不仅是光合作用的能量来源，也是影响植物次生代谢的重要环境因子。青蒿素（Artemisinin）作为治疗疟疾的核心次生代谢物，合成于中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）的分泌型盾状腺毛中，其生物合成也受到光照的调控。作为光信号转导的上游核心转录因子，ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5) 能直接与植物中多个下游靶基因的启动子结合，从而参与许多光介导的反应，其中包括正向调控青蒿素的生物合成，但青蒿中HY5的潜在核心转录调控机制仍未阐释。
近日，上海交通大学农业与生物学院唐克轩教授课题组在Journal of Integrative Plant Biology在线发表了题为“The AaBBX21–AaHY5 module mediates light-regulated artemisinin biosynthesis in Artemisia annua L.”的研究论文，揭示了AaBBX21–AaHY5介导光信号调控青蒿素生物合成的分子机制。
研究首先发现，青蒿中的AaHY5蛋白并不能独立地行使调控青蒿素生物合成的功能。通过酵母双杂交实验和转录组分析筛选到一个在腺毛中优势表达的转录因子AaBBX21，其与AaHY5蛋白互作，随即转基因实验证实AaBBX21是青蒿素合成的正调控因子。进一步实验证实，AaHY5和AaBBX21通过蛋白互作形成复合体共同激活下游的青蒿素合成正向转录因子AaGSW1、AaMYB108和AaORA从而促进青蒿素积累。在AaBBX21-AaHY5复合体中，AaHY5蛋白主要起结合下游基因启动子的作用，而AaBBX21蛋白主要起激活作用。此外，本研究发现E3泛素连接酶CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) 能与AaHY5和AaBBX21蛋白C端的Val-Pro (VP) motifs发生相互作用，使两个蛋白在黑暗中被26S蛋白酶体途径降解，严重削弱AaHY5-AaBBX21复合体对青蒿素合成通路的激活功能。
图1. 青蒿AaHY5-AaBBX21模块正调控光介导青蒿素生物合成的工作模型
综上，本研究揭示了光信号调控青蒿素生物合成的核心转录机制（图1）。在黑暗中，E3泛素连接酶AaCOP1与AaHY5和AaBBX21蛋白互作使其两者被26S蛋白酶体途径降解，导致下游青蒿素合成相关基因不能被激活，青蒿素的合成受到明显抑制；而在光照下，AaCOP1蛋白的功能受到抑制，释放AaHY5和AaBBX21蛋白，单独的AaHY5蛋白可以结合下游正调控转录因子AaGSW1和AaMYB108的启动子，使其发生一定量的转录。但当AaHY5和AaBBX21通过蛋白互作形成复合体后，协同促进下游青蒿素合成相关转录因子AaGSW1、AaMYB108和AaORA大量转录，进而强烈激活青蒿素生物合成通路，青蒿素大量积累。本研究为进一步培育高青蒿素含量的青蒿新品种提供潜在的基因资源，同时也为研究光信号介导的植物萜烯类物质生物合成提供了新的视角。
上海交通大学农业与生物学院2021级农艺与种业专业硕士研究生贺威智为该论文的第一作者，黎凌副研究员为该论文的通讯作者。唐克轩教授为本研究提供了重要指导和帮助，上海市农业科学院任丽副研究员也参与了研究。此外，课题组博士后刘航、已毕业硕士吴张宽玉等同学参与了该研究工作。本研究得到国家自然科学基金（32070329和31770327）、国家重点研发计划（2018YFA0900600）和上海市自然科学基金（16ZR1418000）的资助。贺威智同学硕士期间主要进行青蒿素合成转录调控机制研究，此前成果发表在中科院一区TOP期刊Industrial Crops and Products (2023)上。
