青蒿素综述(共11页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上青蒿素综述刘兵情(井冈山大学11级药本（1）班 学号：)摘要：青蒿素类抗疟药物的发现是全球抗疟药物发展史上继奎宁之后的又一里程碑1. 吴毓林，青蒿素历史和现实的启示，化 学 进 展，第21卷第11期，2009年11月。, 是目前治疗疟疾的特效药.本文简要介绍青蒿素的发现过程、药源、生物合成、应用前景和青蒿素及其衍生物药理活性，重点在于介绍青蒿素生物合成过程。关键词：青蒿素 发现过程 药源 生物合成 药理活性 前景引言：青蒿素是在科研计划组织下,全国多部门、多学科专家尽心协作、相互配合取得的重大成果,是继承发扬我国传统医药宝库的成功范例2. 吴毓林，青蒿素历史和现实的启

2、示，化 学 进 展，第21卷第11期，2009年11月。青蒿素主要有抗疟、抗孕、抗纤维化、抗吸血虫等药理作用3. Li YWu YLAn over four miUennium story behind qinghaosn(artemisinin)：a fantastic antimalarial drug from a traditional Chinese herbCurr Med Chem 2003；10(4)：219722304. 曾庆平, 鲍飞，青蒿素合成生物学及代谢工程研究进展，第 56 卷 第 27 期，2289 2297。青蒿素生物合成三个阶段分为从乙酰辅酶 A 到法呢基焦磷酸

3、的“上游”途径、从法呢基焦磷酸到双氢青蒿酸的“中游”途径和从双氢青蒿酸到青蒿素的“下游”途径，其中上游途径青蒿及其他高等植物与酵母等真核微生物完全相同，因而只需在酵母中额外增加一个青蒿素合成代谢支路, 就能让酵母全合成青蒿素。而中游的酶促反应在酵母中已经完全建立，下游途径的反应条件在酵母中则未建立5. 卢义钦，蒿素的发现与研究进展，生 命 科 学 研 究，第 16 卷 第 3 期，2012 年 6 月。而且青蒿素及其衍生物在抗肿瘤和葡萄膜炎免疫治疗上也具有应用前景。一青蒿素药物来源 1967 年北京523 抗疟计划付诸实施, 1969 年 1 月北京中医研究院加入 523 计划,任命屠呦呦为科

4、研组组长, 在全国多个研究单位协作下, 组织植物化学与药理学等专业 200 多人参加, 并与中医药工作者密切合作6. 饶毅, 黎润红, 张大庆.中药的科学研究丰碑J. 科学文化评论, 2011, 8(4): 27-44.从追索我国历代抗疟方剂入手, 科研组调查了 2 000 种中草药制剂, 从中选出可能具抗疟活性的达 640 种. 余亚纲梳理开列了有 808 个中药的单子，其中有乌头、乌梅、鳖甲、青蒿等7. TU You-you. The discovery of art emisinin (qinghaosu) and gifts from Chinese medicineJ. Nature

5、 Medicne, 2011, 17 (10): 1217-1220。共用约200种国产草药制成 380 多种抽提物, 再筛查它们对小鼠疟疾模型的疗效,但实验不易获得明显结果8. 饶毅的个人空间. 青蒿作用发现的先后: 余亚纲、顾国明和屠呦呦 EB-OL. 财经网博客军事医学科学院用鼠疟模型筛选了近百个药方,青蒿提取物的抑制率虽达 60%80%, 而效力不够稳定9. 网易新闻.发现者EB/OL. ( NETEASE NEWS.DiscovererEB/OL. No.150), , 2011-09-15.继后, 研究组经余亚纲和顾国明复筛, 肯定了青蒿的抗疟作用10. GOLDSTEIN J L

6、. The card players of Caravaggio, Cezanne and Mark Twain: tips for getting lucky in high-stakes researchJ.Nature Medicine, 2011, 17(10): 1201-1205.他们也研究了中药常山,其抗疟作用虽强, 但呕吐的副作用亦强而妨碍推广应用. 转折点出现在黄花蒿的抽提物. 传统中药青蒿包括两个品种: 学名黄花蒿 (Artemisia an-nua L.)的抽提物能对小鼠疟原虫的生长显示良好的抑制作用；而学名青蒿 (Artemisia apiaceaHance)则无任何抗

7、疟作用11. 刘春朝, 王玉春, 欧阳藩, 等. 青蒿素研究进展J. 化学进展(LIU Chun-chao, WANG Yu-chun, OU YANG Fan, et al. Advances in artemisinin researchJ. Progress in Chemistry), 1999,11(1): 41-48.12. 汪猷, 夏志强, 周凤仪, 等. 青蒿素生物合成的研究: 青蒿素和青蒿素 B 生物合成中的关键性中间体青蒿酸. 化学学报, 1988, 46:1152115313. Teoh K H, Polichuk D R, Reed D W, et al. Molecu

8、lar cloning of an aldehyde dehydrogenase implicated in artemisinin biosynthesis in Ar-temisia annua. Botany, 2009, 87: 635642，继后的实验中, 上述结果未能重复, 这同中医文献的记载相矛盾. 为解开此疑惑, 再深入查阅古代医学文献, 最后在晋朝葛洪著肘后备急方中找到“青蒿一握, 以水二升渍, 绞取汁, 尽服之”的抗疟记录. 惯常煎熬中药的高温抽提法已破坏了抗疟的活性组分；温度高于 60 将使青蒿素完全分解. 在较低温度下进行青蒿抽提后, 获得了很满意的效果14. Mart

9、in V J J, Pitera D J, Withers S T, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nat Bio-technol, 2003, 21: 79680215. Ro D K, Paradise E M, Ouellet M, et al. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature, 2006,4

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11、 the artemisinin precursor amorpha-4,11-diene by engineered Saccharomycescerevisiae. Biotechnol Lett, 2006, 28: 57158018. Wallaart T E, Pras N, Beekman A C, et al. Seasonal variation of artemisinin and its biosynthetic precursors in plants of Artemisia annua of Artemisia annua ofdifferent geographic

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14、ynthesis intransgenic Artemisia annua plants. Planta Med, 2009, 75: 1453145822. Yang R Y, Feng L L, Yang X Q, et al. Quantitative transcript profiling reveals down-regulation of a sterol pathway relevant gene and overexpression of artemisinin biogenetic genes in transgenic Artemisia annua plants. Pl

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20、annua. Planta Med, 2010, 76: 1778178333.,叶和春, 李国风, 等. 真菌诱导子对青蒿发根细胞生长和青蒿素积累的影响. 植物学报, 2000, 42: 90590934.Zheng L P, Guo Y T, Wang J W, et al. Nitric oxide potentates oligosaccharide-induced artemisinin production in Artemisia annua hairy roots. J Integr Plant Biol, 2007, 50: 495535.Zhang Y S, Ye H C,

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24、let oxygen. Planta Med, 2010, 76: 734742）41.Guo X X, Yang X Q, Yang R Y, et al. Salicylic acid and methyl jasmonate but not Rose Bengal up-regulate artemisinin biosynthetic genesthrough invoking burst of endogenous singlet oxygen. Plant Sci, 2010, 178: 39039742.Kim C H, Meskauskiene R, Apel K, et al

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27、ry behind qinghaosn(artemisinin)：a fantastic antimalarial drug from a traditional Chinese herbCurr Med Chem 2003；10(4)：2197223047. Li YWu YLAn over four miUennium story behind qinghaosn(artemisinin)：a fantastic antimalarial drug from a traditional Chinese herbCurr Med Chem 2003；10(4)：2197223048.He Y

28、，Fan J，Lin H，et a1 The antimalaria agent artesunate inhibits expression of vascular endothelial growth factor and hypoxia inducible factor-1 alphain human rheumatoid arthritis fibroblast-like synoviocyteRheumatol lnt 201 1；31(1)：536049.Praygod G，de Frey A，Eisenhut MArteinisinin derivatives versusqui

29、nine in treating severe malaria in children：fl systematic reviewMalar J 2008：7(1)：21050.郭进强，李莉，万为人，等青蒿琥酯抗中暑内毒素血症的机制探讨南方医科大学学报2008；28(7)：1290129151.冯登超，贺光照，江川二氢青蒿素抑制兔耳瘢痕增生的实验研究中国美容医学2008；17(3)：38038252.董岩君，李卫东，屠呦呦，等双氢青蒿素对BXSB狼疮小鼠自身抗体产生、TNFc分泌及狼疮性肾炎病理改变的影响中国中西医结合杂志2006；23(3)：67667953.易剑锋，吕爱平雷公藤甲素与双氢青蒿

30、素配伍对大鼠佐刹性关节炎的免疫学研究江西中医学院学报2008；12(6)：49-5154.韦嵩，徐谷根青蒿琥酯治疗类风湿关节炎临床观察山西医药杂志2008；37(5)：45745855.王燕燕，付军霞，等青蒿琥酯治疗类风湿关节炎临床观察中国医院药学杂志2007；27(5)：64564656.赵 飞 ，刘秋玲，青蒿素类药物联合化疗对肿瘤细胞的作用，武警后勤医学报（医学版）第2l卷第3期，2012年3月）57. Kong J Q, Wang W, Wang L N, et al. The improvement of amorpha-4,11-diene production by a yeast

31、-conform variant. J App Microbiol,2009, 106: 941951，.研究组将青蒿的抽提物分成酸性与中性物部分. 移除了不具抗疟活性且有害的酸性部分, 重点抽提黄花蒿的叶片, 使有效成分的产量提高, 并能大幅度地降低其毒性,1971年下半年, 于 190次实验失败后, 他们在 60 用乙醚萃取, 制成了一种无毒性的第 191 号中性抽提物.它对感染伯氏疟原虫 (Plasmodium berghei) 小鼠以及感染猴疟原虫(Plasmodium cyomolgi) 猴的疟原虫血症(parasitemia) 显示 100%的疗效. 此喜讯宣告了青蒿素课题的新突破

32、. 研究组将 191 号中性抽提物最先在全体组员身上试服, 确定了其安全性.1972 年 3 月, 向“523 计划”南京会议报告了试服的结果. 会后不久, 研究组即远赴海南省安排临床试验. 在选试的 21 例疟疾患者中, 感染恶性疟或间日疟(subtertian or tertian malaria)者各占半数. 经治疗后, 患者的发热症状可迅速消失, 血中疟原虫的数目锐减；而接受氯喹的对照组患者则无效.受到临床试验疗效的鼓舞, 研究组再回头专攻青蒿素活性组分的分离与纯化. 钟裕容等通过抽提物的层析, 1972 年 11 月 8 日成功分离出一种相对分子质量0.282 kD的无色结晶, 测得

33、其分子式为 C15H22O5, 熔点 156157 , 即“青蒿素”,后命名为青蒿素(artemisinin). 1972 年在得知北京科研组有关青蒿粗提物的信息后, 山东寄生虫病研究所与山东省中医药研究所合作, 还有云南省药物研究所分别独立进行黄花蒿的提取, 亦获得有效抗疟单体, 各自命名为“黄花蒿素”(山东)及“黄蒿素”(云南). 1974 年初, 上述两种单体被初步确证与北京的青蒿素属相同的药物。1975 年, 在中国科学院上海有机化学研究所、北京生物物理研究所协助下, 刘静明、周维善等确定了青蒿素的空间结构式. 根据光谱数据和 X-射线分析以及化学反应, 证明它属于一种新型的倍半萜内酯

34、。1979年中国国家科学与技术委员会向青蒿素研究组颁发了国家发明证书, 以确认其抗疟疗效。二青蒿素的生物合成 青蒿素的药源主要取自野生黄花蒿和人工栽培的黄花蒿, 但前者受地理环境与季节限制, 而且天然资源逐趋匮乏；后者种植占地大, 耗力费时, 加以植株易变异, 产量不够稳定, 因此迫切需要开拓青蒿素的新药源。由此，有研究者另辟蹊径，设想通过生物合成青蒿素。时至今日，青蒿素的生物合成已经取得一定进展，介绍如下： 早在 20 世纪 80 年代, 中国科学院上海有机化学研究所汪猷院士领导的研究小组就利用放射性同位素标记的 2-14C-青蒿酸与青蒿匀浆(无细胞系统)保温法证明, 青蒿酸和青蒿B 是青蒿

35、素的共同前体。青蒿素生物合成途径仅见于青蒿, 但其“上游”途径为真核生物所共有, 可望通过“下游”途径重建, 在真核微生物(如酵母)中全合成青蒿素. 过去 10 年来, 青蒿素合成基因被国内外研究团队陆续克隆并导入酿酒酵母细胞, 已成功合成青蒿酸及双氢青蒿酸等青蒿素前体. 由于酵母缺乏适宜的细胞环境, 尚不能将青蒿素前体转变成青蒿素. 因此, 青蒿依然是青蒿素的唯一来源, 凸显出继续开展青蒿种质遗传改良的必要性. 同时, 青蒿素生物合成的限速步骤尤其是终端反应机制已基本得到阐明, 有助于开展青蒿素形成与积累的环境模拟及仿生, 从而为彻底缓解青蒿素的供求矛盾创造先机。若以双氢青蒿酸为青蒿素的直接

36、前体, 则青蒿素生物合成过程如下：首先是从乙酰辅酶 A 经异戊烯基焦磷酸(IPP)、二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)、法呢基焦磷酸到紫穗槐-4,11-二烯的合成途径, 其中 DMAPP 与 IPP 受 IPP 异构酶(IPPI)催化发生互变, 二者再被法呢基焦磷酸合成酶(FDS)作用生成法呢基焦磷酸, 并在紫穗槐二烯合酶(ADS)催化下闭环产生紫穗槐-4,11-二烯; 其次是从紫穗槐-4,11-二烯到双氢青蒿酸的合成途径, 紫穗 槐 -4,11- 二 烯 在 细 胞 色 素 P450 单 加 氧 酶(CYP71AV1)催化下, 经连续氧化依次生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸, 其中青蒿醛受青蒿醛双键

37、还原酶2(DBR2)催化而还原成双氢青蒿醛, 后者再在青蒿醛脱氢酶 1(ALDH1)催化下氧化成双氢青蒿酸. 双氢青蒿醇转变成双氢青蒿醛由 ALDH1/CYP71AV1 催化,其逆反应则由双氢青蒿酸还原酶 1(RED1)催化;最后是从双氢青蒿酸到青蒿素的合成途径, 双氢青蒿酸经过未知的多个非酶促反应最终生成青蒿素. 此外,青蒿酸可能经多步反应合成青蒿素B 后再转变成青蒿素. 青蒿素的生物合成主要任务有：青蒿素前体合成工程菌的构建。在这里为了便于叙述，将上述青蒿素生物合成过程分为“上游” “中游” “下游”三个途径，分别是从乙酰辅酶 A 到法呢基焦磷酸的“上游”途径、从法呢基焦磷酸到双氢青蒿酸的

38、“中游”途径和从双氢青蒿酸到青蒿素的“下游”途径. 青蒿及其他高等植物与酵母等真核微生物合成法呢基焦磷酸的酶促反应完全相同(循甲羟戊酸途径), 因而只需在酵母中额外增加一个青蒿素合成代谢支路, 就能让酵母全合成青蒿素. 目前, 中游途径的酶促反应已通过导入青蒿ADS, CYP71AV1, CPR, DBR2 和 ALDH1 等基因至酵母而得以完全重建, 但下游途径的反应条件在酵母中则尚未建立.回溯到 2003 年, 美国 Keasling 小组将青蒿 ADS基因经密码子优化后导入大肠杆菌中表达, 同时用酵母萜类合成途径代替大肠杆菌萜类合成途径, 首次在细菌体内合成出青蒿素的第一个关键前体紫穗槐

39、-4,11-二烯, 在 6 L 发酵罐中培养 60 h 的产率达到 450 mg/L。2006 年, 他们将 ADS 基因连同CYP71AV1 和 CPR 基因同时导入酿酒酵母中表达, 培育出世界上第一株生产青蒿酸的酵母工程菌, 经代谢途径修饰与优化, 其产率已达 153 mg/L。加拿大 Covello 小组于 2008 年将新克隆的青蒿 DBR2 基因连同 ADS, CYP71AV1 和 CPR 基因一同导入酿酒酵母,率先培育出合成双氢青蒿酸的酵母工程菌, 其中双氢青蒿酸产率为 15.7 mg/L, 青蒿酸产率为 11.8 mg/L。中国医学科学院及北京协和医科大学药物研究所的程克棣小组将

40、青蒿 ADS 基因按酵母偏爱密码子优化并导入酿酒酵母后, 也培育出产紫穗槐-4,11-二烯的酵母工程菌。瑞典卡尔马大学的 Brodelius 小组将ADS 基因导入酵母中, 分别获得质粒表达及染色体整合表达的产紫穗槐-4,11-二烯酵母工程菌, 其中质粒表达酵母工程菌培养 16 d 后的紫穗槐-4,11-二烯,产量为 0.6 mg/L。 然而, 到目前为止, 国内外还没有一个研究小组将酵母工程菌中的青蒿素前体转变成青蒿素, 其原因可能是酵母不具备青蒿素合成所需要的细胞环境.这里面临着一个策略选择, 即在微生物中合成青蒿素前体后是改用化学方法半合成青蒿素, 还是继续探索让微生物将青蒿素前体转变成

41、青蒿素的方法? 现在看来, 国外选择的是前者, 并且已先期启动产业化进程. 不过, 从工艺、成本、环境影响等方面考虑, 实现青蒿素的微生物全合成无疑有着更大的应用价值. 高产青蒿素转基因青蒿植株的培育。这一步骤首先要寻找高产青蒿素转基因青蒿培育的有效途径。青蒿素是一种次生代谢产物, 它在青蒿中的积累量很小, 而且不同地区生态类型的差异很大。中国科学院植物研究所叶和春研究小组最早开展转基因青蒿研究, 他们将重组法呢基焦磷酸合成酶基因(FPS)导入青蒿, 以增加 FPS 基因的拷贝数目, 期望增大青蒿素生物合成途径的碳流(“开源法”), 由此获得青蒿素含量比对照高 34 倍的转基因青蒿发根(0.2

42、%0.3%)及比对照高 23 倍的转基因青蒿植株(0.8%1%). 类似地, 印度科学家用重组羟甲基戊二酰辅酶 A 还原酶基因(HMGR)培育转基因青蒿植株, 其青蒿素含量提高 22.5%将反义鲨烯合酶基因(asSS)导入青蒿,以阻断竞争青蒿素生物合成的类固醇分支途径(“节流法”), 获得类固醇含量比对照(0.08%鲜重)下降近一半(0.04%0.05%鲜重)及青蒿素含量比对照(0.45%干重)提高近 3 倍(1.23%干重)的转基因青蒿植株。上海交通大学唐克轩小组利用发夹RNA介导的RNA干扰技术阻断类固醇合成途径, 使转基因青蒿中的青蒿素含量达到 3.14%干重, 比对照提高 3.14 倍

43、。最近, 中国科学院植物研究所的研究小组利用 -石竹烯合酶 cDNA 反义片段抑制青蒿的倍半萜合成支路, 通过减少 -石竹烯对紫穗槐-4,11-二烯的竞争,使青蒿素含量提高 50%以上。在今后的研究中, 可以考虑将“开源”与“节流”两种方法结合起来, 也许能收到更好的效果. 一种更有前景的创意是将青蒿中更多的非青蒿素合成途径剔除或者仅保留青蒿素合成途径及其他必要的代谢途径, 从而通过合成生物学创造出自然界不存在的新型代谢网络.通过调节激素及发育基因表达促进青蒿素合成。细胞分裂素可刺激叶片生长, 而青蒿素主要由青蒿叶片合成. 因此, 提高青蒿中的细胞分裂素水平有可能促进青蒿素的合成. 叶和春小组

44、曾将异戊烯基转移酶基因(ipt)导入青蒿, 结果使细胞分裂素水平提高 23 倍, 青蒿素含量增加 30%70%利用异种植物创建青蒿素生物合成新支路。美国肯塔基大学的 Chapel 小组将青蒿 ADS 基因及鸟类 FPS 基因导入烟草中表达, 经叶绿体信号序列引导, ADS 和 FPS 被转运至叶绿体, 并合成紫穗槐-4,11-二烯, 产量达到 25 g/g 鲜重如果将来能将青蒿素合成途径“搬到”叶绿体内, 那么这种独特的“叶绿体催化”方法可能比常规的“细胞质催化”方法更能获得高产青蒿素.荷兰 Bouwmeester 小组利用烟草表达青蒿 ADS,FPS 和 HMGR 基因, 获得产紫穗槐-4,

45、11-二烯的转基因烟草. 但是, 当继续导入 CYP71AV1 基因后, 却未检测到预期产物青蒿酸, 而只检测到青蒿酸-12-双葡萄糖苷, 产量达到 39.5 mg/kg 鲜重, 推测其为烟草葡萄糖基转移酶的催化产物。加拿大 Covello 小组将青蒿 ADS 和 CYP71AV1 基因导入烟草后, 只检出紫穗槐-4,11-二烯和青蒿醇, 未检出青蒿酸. 若再导入DBR2和ALDH1基因, 也只检出双氢青蒿醇, 未检出双氢青蒿酸由此可见, 尽管在青蒿以外的植物中重建青蒿素合成途径是可行的, 但在产物(如青蒿酸糖苷)的后处理上可能会面临较多的技术困难。在青蒿素的生物合成过程还有几个关键问题需要注

46、意：青蒿素合成基因表达具有时空特异性,利用实时荧光定量 PCR 技术追踪分析了青蒿素合成基因的发育及组织表达模式, 结果显示, 各基因的表达水平在 8月份开花前达到高峰, 其中青蒿素特异合成 ADS mRNA 和 CYP71AV1 mRNA 升幅最大, 为最低水平的 12 和 15 倍. 处于盛花期的青蒿在根、茎、叶、花各个组织中都能检测到青蒿素合成基因的表达, 叶片中 ADS mRNA 水平较其他组织高 2倍左右。我们采用组织化学染色法和分光光度法对 CYP71AV1 启动子-GUS 融合基因转化烟草在正常和胁迫条件下的表达进行定性及定量检测, 结果表明, 在脱水、4和紫外辐射条件下, 转基

47、因烟草的GUS 活性提高 1.42.7 倍。瑞典及荷兰科学家的研究结果表明, ADS, CYP71AV1, DBR2 和 ALDH1 等青蒿素合成基因在花芽及嫩叶中的表达水平比其他组织(老叶、茎、根、发根培养细胞)高 40500 倍, 而对青蒿素合成有负调节作用的双氢青蒿醛还原酶基因(RED1)则只在发根培养细胞中高表达。内外环境因素促进青蒿素的合成与积累。早在 2000 年, 叶和春小组就证明, 植物病原真菌可以不同程度地促进体外培养青蒿发根中青蒿素的积累, 其中大丽花轮枝孢处理发根后的青蒿素含量比对照提高 45%南京大学谭仁祥小组也证实,来自真菌的寡聚糖激发子可使青蒿素含量从 7 mg/g

48、干重提高到 13 mg/g 干重, 而寡聚糖激发子与一氧化氮供体硝普钠共用, 则青蒿素含量升高至 1222mg/g 干重。叶和春小组还发现, 外源性赤霉酸可以通过反馈抑制赤霉酸合成, 将碳源分流到青蒿素合成途径,导致青蒿素含量增高, 同时青蒿酸含量降低, 表明从青蒿酸到青蒿素是青蒿素合成的限速步骤之一。青蒿素产量与单线态氧水平高度相关。以往研究表明, 青蒿收获后干燥及重金属(铅)、盐胁迫处理青蒿均有利于青蒿素的积累, 推测极端环境胁迫尤其是氧化胁迫可能与青蒿素合成有着十分密切的关系, 但始终缺乏活性氧参与青蒿素生物合成的证据。我们研究发现, 转基因青蒿植株经过冷处理后,单线态氧的释放比对照植株明显增强, 同时青蒿素含量从 1.23%增加到 1.66%, 转基因青蒿植株干粉经15 个月贮存后青蒿素含量升至 2.35%。我们采用mRNA 定量扩增技术系统地研究了低温、衰老、水杨酸及茉莉酸甲酯等内外环境因素对青蒿素生物合的影响, 结果发现青蒿素合成 mRNA 水平升