Plant Com| 上海交通大学唐克轩教授团队揭示了基于石墨烯栽培青蒿提高青蒿素含量和腺毛密度的调控机制

2023年11月02日，上海交通大学唐克轩教授团队在Plant Communications在线发表题为"Graphene enhances artemisinin production in traditional medicinal plant Artemisia annua via dynamic physiological progress and miRNA regulation"的研究论文。该研究制定了纳米材料石墨烯栽培青蒿的策略，并从生理、环境、分子等方面对青蒿进行全面分析，为石墨烯在促进青蒿素生物合成和植物表皮毛发育的调控机制提供了新的见解。揭示了石墨烯在中药作物生产中的可行性、安全性以及经济效益。

该研究选用30 nm级别的氧化石墨烯，在青蒿幼苗阶段浇灌。通过表型考察发现暴露在石墨烯下的青蒿幼苗生物量积累加快，光合作用、氮吸收等生理过程均得到增强（图1）。土壤微生物方面，碳循环相关菌落菌群的丰度也得到提高，从而导致了约20%的最终青蒿叶片干重的提高。

青蒿腺毛是青蒿素合成和储存的场所，提高腺毛密度是提高青蒿素产量的主要策略。尽管众多报道石墨烯本身存在抗氧化酶的活性，在青蒿体内也可以增强此类酶活性，但是活性氧依然在青蒿细胞内积累。而适当的活性氧积累使得青蒿中的DCL基因被抑制，从而使得miRNA的剪切受到影响。研究人员发现，暴露在石墨烯中的青蒿，miR828表达量急剧下降，从而使其靶基因AaMYB17积累，促进了腺毛的起始。此外，茉莉酸等植物激素也在石墨烯的环境下积累，可能是石墨烯诱导的青蒿素产量提升的另一条途径（图2）。综上，石墨烯可以通过提升青蒿的生理状态以及通过miR828-AaMYB17途径提升青蒿素的产量，从而提升了经济收益。

上海交通大学唐克轩教授为论文通讯作者。唐克轩组博士后曹俊峰、山西大同大学陈志文副教授和浙江大学汪露瑶博士为论文的共同第一作者，青岛农业大学司彤副教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心李辰意博士和黄超尘博士等参与了研究工作。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、美国比尔及梅琳达·盖茨基金、煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心开放基金等项目的资助。