用萤火虫基因来理解大麻生物学

【字体: 时间:2022年06月24日 来源:Plants

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  康涅狄格大学农业、卫生和自然资源学院的研究助理教授Yi Ma和Gerry Berkowitz获得了美国农业部国家研究计划的资助,发现三色胺发育和大麻素合成背后的潜在分子机制。

  
   

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图:伊马在康州大学CAHNR温室的大麻植物旁

图片来源:(Jason Sheldon/康涅狄格大学图片)

大麻,一种因其广泛的药用特性而日益受到关注的植物,含有几十种被称为大麻素的化合物。

最著名的大麻素之一是大麻二酚酸(CBD),用于治疗疼痛、炎症、恶心等。

大麻素是由大麻花表面的毛状突起产生的。除此之外,科学家对大麻素生物合成是如何被控制的知之甚少。

康涅狄格大学农业、卫生和自然资源学院的研究助理教授Yi Ma和Gerry Berkowitz获得了美国农业部国家研究计划的资助,以发现三色胺发育和大麻素合成背后的潜在分子机制。

Berkowitz和Ma,以及前研究生Samuel Haiden和Peter Apicella,发现了负责毛状体起始和大麻素生物合成的转录因子。转录因子是一种分子,它决定有机体的DNA片段是否会被转录成RNA,从而得到表达。

在这种情况下,转录因子导致花上的表皮细胞变成毛状体。该团队的发现最近作为专题文章发表在《植物》杂志上。有关毛状体的研究也发表在《Plant Direct》杂志上。由于该基因的潜在经济影响,康涅狄格大学已经就这项技术提交了临时专利申请。

有了这项新资助,研究人员将继续探索这些转录因子如何在花成熟过程中发挥毛状体发育的作用。

Berkowitz和Ma将克隆相关的启动子(转录因子结合的DNA部分)。然后,他们将启动子和一份使萤火虫发光的基因拷贝一起放入模型植物的细胞中,这种基因被称为萤火虫荧光素酶;荧光素酶与大麻启动子融合,因此如果启动子被信号激活,荧光素酶报告基因就会产生光。伯科维茨说:“这是评估协调大麻素合成和毛状体发育的信号的一个绝妙方法。”

研究人员将把克隆的启动子和荧光素酶装入质粒中。质粒是可以独立于染色体复制的环状DNA分子。这使得科学家能够表达他们感兴趣的基因,即使它们不是植物基因组DNA的一部分。它们将这些质粒传递到植物的叶子或原生质体中,原生质体是指没有细胞壁的植物细胞。

当控制荧光素酶表达的启动子与负责毛状体发育的转录因子接触时(或由其他信号如植物激素触发),荧光素酶“报告子”就会发光。Ma和Berkowitz将使用一种叫做光度计的仪器,用来测量样本发出的光量。这将告诉研究人员,他们正在研究的启动子区域是由转录因子控制的,这些转录因子负责增加毛状体的发育,还是调节编码大麻素生物合成酶的基因。它们还可以了解启动子是否对激素信号作出反应。

在之前的研究中,Ma和Berkowitz以及研究生Peter Apicella发现,在大麻毛状体中产生四氢大麻酚的酶可能不是调节四氢大麻酚产生的关键限制步骤,而是产生四氢大麻酚前体(和CBD)的生成,以及通过转运促进前体到细胞外球茎的运输可能是产生高四氢大麻酚或CBD的大麻菌株的关键决定因素。

大多数种植大麻的农民都种植大麻,这是一种天然THC含量低于大麻的大麻品种。目前,大多数CBD含量高的大麻品种也含有高得让人无法接受的四氢大麻酚。这可能是因为大麻植物仍然制造产生四氢大麻酚的酶。如果该植物含有超过0.3%的四氢大麻酚,就被联邦政府视为非法,在许多情况下必须销毁。更好地了解这种植物是如何产生四氢大麻酚的,意味着科学家可以使用CRISPR等基因组编辑技术,有选择地敲除合成四氢大麻酚的酶。这将产生低水平或不含四氢大麻酚的植物。

研究人员说:“我们设想,获得的基本知识可以转化为新的遗传工具和策略,以改善大麻素的特性,帮助大麻种植者解决四氢大麻酚生产过剩的常见问题,并造福人类健康。”

另一方面,这一知识可能导致大麻植物的生产,产生更多所需的大麻素,使其更有价值和利润。

除了与大麻科学家、行业和种植者分享这些发现,研究人员还将把这些新知识纳入康涅狄格大学的大麻园艺课程。

该基金还将支持对大麻研究感兴趣的本科生的培训,为他们提供进入劳动力市场的技能。

文章标题

Overexpression of CsMIXTA, a Transcription Factor from Cannabis sativa, Increases Glandular Trichome Density in Tobacco Leaves

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