CO2浓度与温度升高对野生和栽培青蒿生长代谢影响的研究

Each year, about 300-500 million people are infected with malaria worldwide, causing over 1 million deaths. Artemisinin is the most effective treatment for malaria, which can only be extracted from a medicinal plant (Artemisia annua). The cultivar of Artemisia annus was cultivated from wild species which has the very limited yield, and is being promoted to plant extensively for getting the more artemisinin. Atmospheric [CO2] and temperature can heavily influence plant growth and metabolism, so the responses of artemisia annua growth and its active ingredient synthesis will directly determine the artemisinin supply in the future. In this study, we will use the FACE experiment platform to examine the growth and metabolism of the wild and cultivated Artemisia annus in response to elevated [CO2] and temperature. We will test plant biomass and the active ingredient content at different growth stages, to obtain the optimum sampling period and effective production of artemisinin; we will examine the process of artemisinin synthetical enzymes and forebody, C and N metobolism, active oxygen and glandular trichome development, to learn the mechanisms of response for artemisinin synthesis, by means of using HPLC, fluorescence of PCR, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and spectrophotometer. In addition, we will analyse of leaf chemical composition responses of Artemisia annua to elevated [CO2] and temperature over the past 100 years, to further validate and reinforce the observed result of FACE experiment. Our research will help farmers improve management of Artemisia annua, and provide scientific basis for forecasting artemisinin supply in the future.

全球每年约3-5亿人次感染疟疾，其中超过1百万人死亡。青蒿素是最有效的抗疟药物，其唯一的来源是从药用植物青蒿中提取。由于野生青蒿的产量有限，目前正大力推广种植经驯化培育的栽培品种。大气CO2浓度和温度均是影响植物生长代谢的关键因子，两者的升高必然影响未来青蒿素的供应。本项目将利用FACE试验平台, 研究大气CO2浓度与温度升高对野生和栽培青蒿生长代谢的影响。通过分析青蒿各生育期有效部分生物量和青蒿素含量，明确最佳的收获期和青蒿素产量；通过HPLC、荧光PCR、扫描电镜、透射电镜和分光光度计等分析手段，研究青蒿素生物合成酶与前体、CN代谢、活性氧、腺毛状分泌腺形成的响应，揭示青蒿素合成响应的机制。另外综合分析过去百年大气CO2浓度和温度升高对野生青蒿叶内的成分已产生的影响，进一步补充和验证FACE的研究结果。本项目为未来青蒿的种植提供指导，也为预测未来青蒿素的供应提供科学依据。

全球每年约3-5亿人次感染疟疾，其中超过1百万人死亡。青蒿素是最有效的抗疟药物，其唯一的来源是从药用植物青蒿中提取。由于野生青蒿的产量有限，目前正大力推广种植经驯化培育的栽培品种。大气CO2浓度和温度均是影响植物生长代谢的关键因子。本项目利用FACE试验平台, 研究大气CO2浓度与年度气温变化对野生和栽培黄花蒿生长代谢的影响；另外综合分析过去百年大气CO2浓度升高过程对野生青蒿叶内的成分已产生的影响，进一步补充和验证FACE的研究结果。研究表明未来大气CO2升高将显著促进黄花蒿的生长，有效增加绿叶生物量；并且上调此生代谢物质的合成，增加其药用成分-青蒿素的含量。因此，高浓度CO2将会显著增加青蒿素的产量，这将非常有利于未来疟疾的防治。此外研究表明，较高的气温会增强高浓度CO2上调青蒿素合成的效应，近一步增加青蒿素的含量。高浓度CO2条件下，黄花蒿体内的大量元素（N、P和K）吸收都有所增加，但是养分需求之间的平衡没有改变，这表明未来高浓度CO2条件下，为保障土壤地力，增加施肥量是必要，但是养分之间的配比则无需调整。而过去一百年以来，大气CO2升高降低了黄花蒿叶内的氮含量，对碳含量没有明显影响，因而碳氮比增加；依据其相关模型拟合，发现青蒿素在过去百年来一直相对增加，这个结果是百年来CO2缓慢升高的结果，与FACE（+200 ppm）效应是相对一致的。.本项目直接证明过去到未来CO2的持续增加是有利于青蒿素的合成的，这对于第三世界的疟疾防治是非常利好的消息，同时也展望未来或许可以通过选育黄花蒿品种，以期充分利用未来的高浓度CO2来进一步提高青蒿素的产量，保障亚非疟疾区人群的安全。