OsCESA9 conserved-site mutation leads to largely enhanced plant lodging resistance and biomass enzymatic saccharification by reducing cellulose DP and crystallinity in rice
- 作者
- Fengcheng Li, Guosheng Xie, Jiangfeng Huang, Ran Zhang, Yu Li, Miaomiao Zhang, Yanting Wang, Ao Li, Xukai Li, Tao Xia, Chengcheng Qu, Fan Hu, Arthur J. Ragauskas, Liangcai Peng
- 单位
- 华中农业大学生物质与生物能源研究中心；华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室；华中农业大学植物科学技术学院；沈阳农业大学水稻研究所，农业部作物生理生态与遗传育种重点实验室；华中农业大学生命科学技术学院；华中农业大学农业微生物学国家重点实验室；田纳西大学诺克斯维尔分校化学与生物分子工程系；田纳西大学诺克斯维尔分校林学系
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/pbi.12700
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决如何在不影响水稻正常生长和产量的前提下，通过直接改变纤维素特性（降低聚合度和结晶度）来提高抗倒伏性和生物质酶解糖化效率。
研究策略
利用图位克隆方法鉴定Osfc16突变体的CESA9基因突变，综合运用化学组成分析、电子显微镜、免疫共沉淀、蛋白酶体抑制剂（MG132）和纤维素合成抑制剂（Calcofluor和CGA）处理等技术，解析突变降低纤维素聚合度和结晶度的分子机制，并评估农艺性状及生物质糖化和乙醇生产效率。
核心内容
该研究通过图位克隆方法从水稻突变体Osfc16中鉴定出OsCESA9基因的保守位点突变，并系统解析了该突变如何降低纤维素聚合度与结晶度、增强抗倒伏性和生物质酶解糖化效率的机制。研究采用化学组成分析、电子显微镜、免疫共沉淀以及蛋白酶体抑制剂和纤维素合成抑制剂处理等技术手段，发现突变导致CESA4/7/9纤维素合酶复合物稳定性下降，促进蛋白酶体降解，从而使CESA9总蛋白水平降低71%，合成了低聚合度、低结晶度的纤维素。在农艺性状方面，突变体生物质产量提高25%–41%，分蘖数增加59%–68%，倒伏指数降低18%–24%；同时纤维素含量降低18%，半纤维素含量提高16%，成熟茎结晶度降低36%。酶解糖化六碳糖产量最高提升2.3倍，乙醇产量提高34%–42%。这一策略在不显著影响水稻正常生长和产量的前提下，通过直接修饰纤维素合酶保守位点实现纤维素性状优化，为利用基因编辑改良能源草和作物秸秆的生物质转化效率提供了新思路。
创新点
首次报道直接修饰纤维素合酶保守位点实现低聚合度纤维素合成且不显著影响植株生长；揭示了CESA9 P-CR区保守位点突变导致CESA4/7/9复合物稳定性降低、促进蛋白酶体降解，进而合成低DP纤维素的机制；提出了利用CRISPR/Cas9产生更多保守位点突变体以优化纤维素性状的应用前景。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa L. japonica cv. Nipponbare） | 纤维素生物合成途径 | OsCESA9 | CESA9 | 催化 | Osfc16突变体在P-CR保守区发生W481C和P482S氨基酸替换 |
| 水稻（Oryza sativa L. japonica cv. Nipponbare） | 纤维素生物合成途径 | OsCESA4 | CESA4 | 催化 | 与CESA9和CESA7形成次级细胞壁纤维素合酶复合物 |
| 水稻（Oryza sativa L. japonica cv. Nipponbare） | 纤维素生物合成途径 | OsCESA7 | CESA7 | 催化 | 与CESA9和CESA4形成次级细胞壁纤维素合酶复合物 |
关键发现
- Osfc16突变体相比野生型，生物质产量提高25%-41%，分蘖数增加59%-68%，倒伏指数降低18%-24%
- 纤维素含量降低18%，半纤维素含量提高16%
- 成熟茎纤维素结晶度降低36%，第二、三、四节间Crl分别降低3.9%、7.8%和23.4%
- 高DP纤维素级分的DP降低28%-30%，AFM显示颗粒尺寸减小44%-57%
- 酶解糖化六碳糖产量最高提高2.3倍，乙醇产量提高34%-42%
- CESA9总蛋白水平降低71%，CESA4和CESA7分别降低34%和22%
- MG132处理下突变体CESA9蛋白合成速率增加1倍，而野生型仅增加15%。
研究结论
CESA9保守位点突变通过降低CESA4/7/9复合物稳定性导致蛋白酶体快速降解，从而合成低聚合度和低结晶度纤维素，显著增强水稻抗倒伏性和生物质酶解糖化效率，同时保持正常生长和产量，为生物质能源提供新的遗传改良策略。