大麻素生物合成关键调控因子：大麻AP2/ERF转录因子家族的基因组特征与功能解析

本研究针对大麻素生物合成调控机制不明的问题，通过系统分析大麻AP2/ERF转录因子家族，鉴定出111个成员并划分为4个亚家族。研究发现CsERF02/05/18/19/21/46及两个基因簇可能参与大麻素合成调控，其中CsERF02和CsERF19具有转录激活活性。该研究为通过代谢工程提高大麻素产量提供了新靶点，发表于《Chinese Herbal Medicines》。

　　

大麻素作为大麻中的关键活性成分，在抗炎、镇痛和神经退行性疾病治疗中展现出巨大潜力。然而，尽管其生物合成途径已被阐明，调控这一过程的转录因子仍鲜为人知。AP2/ERF（APETALA2/乙烯响应因子）作为植物中最大的转录因子家族之一，在次生代谢调控中扮演重要角色，但该家族在大麻中的功能研究仍属空白。随着高CBD（大麻二酚）品种在抗COVID-19等新应用领域的突破，解析大麻素合成的分子调控机制成为亟待解决的科学问题。

中国中医科学院中药研究所等机构的研究人员通过全基因组尺度分析，系统鉴定了大麻AP2/ERF家族成员，并探索其与大麻素合成的潜在关联。研究采用多组学整合策略，结合进化分析、基因结构解析、共表达网络构建和功能验证，首次揭示了大麻AP2/ERF家族的调控图谱。相关成果发表于《Chinese Herbal Medicines》，为药用植物次生代谢调控提供了新见解。

关键技术方法包括：1）基于NCBI数据库PRJEB29284的基因组数据挖掘；2）系统发育树构建（MEGA7.0软件）；3）组织特异性表达谱分析（RNA-seq和qRT-PCR）；4）亚细胞定位（烟草瞬时表达系统）；5）转录激活检测（酵母AH109系统）。实验材料选用高CBD含量品种"迪库"的根、茎、叶等6种组织。

研究结果

基因组特征与系统发育分析
共鉴定111个AP2/ERF成员，分为AP2（17个）、DREB（脱水响应元件结合蛋白，39个）、ERF（53个）和RAV（2个）亚家族。染色体定位显示基因呈不均匀分布，NC_044371.1染色体含量最高。进化分析表明CsERF32与已知THCAS（四氢大麻酚酸合成酶）调控因子CsAP2L1聚为一支。

基因结构与保守基序
内含子数量在亚家族间差异显著，DREB/ERF成员多无内含子，而DREB032含15个内含子。鉴定出24个保守基序，其中基序1-4广泛分布，基序20-22具有亚家族特异性。

共表达与功能预测
qRT-PCR验证15个候选基因的表达模式，发现CsERF02/05/21/46在苞片中高表达，CsERF04/16/18/19/38/42在花中优势表达。共表达分析显示CsERF02/19与OAC2（大麻素合成关键酶）的Pearson相关系数>0.8。

亚细胞定位与转录激活
35S::CsERFs-GFP实验证实6个候选蛋白定位于细胞核。酵母系统显示CsERF02/19可激活lacZ报告基因，具有转录激活活性。

基因簇分析
发现两个潜在功能簇：簇1（CsERF13-18）和簇2（CsERF35/38/42/43），其成员与丹参SmERF128等次生代谢调控因子进化关系密切。

讨论与结论
该研究首次系统解析大麻AP2/ERF家族特征，提出"双轨调控"模型：1）单个转录因子（如CsERF02/19）通过转录激活直接调控合成酶基因；2）基因簇（如ERF13-18）通过协同作用精细调控代谢流。特别是CsERF02与烟草尼古丁调控因子NtERF32、青蒿素调控因子AaERF2聚类的现象，暗示其在萜类代谢中的保守功能。

研究意义在于：1）填补大麻转录调控网络空白；2）为代谢工程提供分子靶点（如CsERF19的转录激活域可应用于合成生物学）；3）建立的基因组资源库（111个基因注释信息）将促进药用植物研究。未来需通过基因编辑验证候选基因功能，并探索AP2/ERF与其他调控因子（如MYB、WRKY）的互作网络。该成果对实现大麻素定向生产和品质改良具有重要指导价值。