Expression of a bacterial 3-dehydroshikimate dehydratase reduces lignin content and improves biomass saccharification efficiency
- 作者
- Aymerick Eudes, Noppadon Sathitsuksanoh, Edward E. K. Baidoo, Anthe George, Yan Liang, Fan Yang, Seema Singh, Jay D. Keasling, Blake A. Simmons, Dominique Loqué
- 单位
- 联合生物能源研究所，美国加州埃默里维尔；劳伦斯伯克利国家实验室物理生物科学部，美国加州伯克利；桑迪亚国家实验室，美国加州利弗莫尔；加州大学伯克利分校生物工程系与化学和生物分子工程系，美国加州伯克利
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2015）
- DOI
- 10.1111/pbi.12310
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物生物质中木质素造成细胞壁顽抗性，传统基因敲除方法常伴随生长缺陷等副作用，需要开发新的策略来降低木质素含量并提高生物质糖化效率。
研究策略
通过异源表达细菌3-脱氢莽草酸脱水酶QsuB并靶向质体，将莽草酸途径中间体3-脱氢莽草酸转化为原儿茶酸，从而分流碳流、影响木质素前体合成，实现对木质素含量和组成的调控。
核心内容
该研究提出了一种降低植物木质素含量并提升生物质糖化效率的新策略。与传统的木质素合成基因敲除不同，研究者首次在拟南芥中异源表达了细菌来源的3-脱氢莽草酸脱水酶QsuB，并将其靶向质体。该酶将莽草酸途径中间体3-脱氢莽草酸转化为原儿茶酸，从而分流碳流，减少进入苯丙烷途径的前体供应，以实现对木质素沉积的调控。研究者同时利用C4H组织特异性启动子驱动QsuB表达，实现对木质素沉积的时空调控。结果显示，转基因植株原儿茶酸含量增加67至113倍，Klason木质素含量降低45%至52%，木质素组成中H单元相对含量增加3.3至6倍，G单元和S单元比例改变，聚合度显著下降。在不同预处理条件下，糖化效率大幅提升，其中热水预处理提高79%至116%，稀碱处理提高63%至93%，稀酸处理提高26%至37%。即使在酶负载降低5倍的条件下，转基因株系的释糖量仍高于野生型标准酶负载水平。这表明通过获得性功能策略重塑莽草酸碳流可有效改良木质素性状，是一种有望推广至能源作物的通用方法。
创新点
首次在植物中表达细菌QsuB；采用获得性功能策略而非传统基因敲除；利用组织特异性启动子（C4H）驱动表达，实现对木质素沉积的时空调控；同时降低木质素含量和聚合度，显著提高糖化效率。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 莽草酸途径 | qsuB | 3-脱氢莽草酸脱水酶 (QsuB) | 催化 | 来自谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)，靶向质体，将3-脱氢莽草酸转化为原儿茶酸，从而影响木质素生物合成 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 苯丙烷途径/木质素生物合成 | AtC4H | 肉桂酸4-羟化酶 | 调控 | 利用其启动子驱动QsuB在木质化组织中表达，实现组织特异性降低木质素 |
关键发现
- 转基因拟南芥原儿茶酸含量增加67-113倍
- p-香豆醛增加5.7-16.4倍，p-香豆醇增加12.2-13.7倍，p-香豆酸增加6.4-9.5倍
- 松柏醛降低33-50%，松柏醇降低36-68%，芥子醛降低45-77%，芥子醇降低73-87%
- Klason木质素含量降低45%-52%
- H木质素单元相对含量增加3.3-6倍，G单元降低1.5-1.8倍，S单元增加1.3-1.5倍
- 在不同预处理条件下糖化效率提高：热水预处理提高79-116%、稀碱提高63-93%、稀酸提高26-37%
- 在5倍降低酶负载下，转基因株系释糖量仍高于野生型标准酶负载。
研究结论
表达质体靶向的QsuB通过消耗3-脱氢莽草酸，重塑木质素生物合成，导致木质素含量显著降低、H单元增加、G单元减少、聚合度降低，从而使生物质糖化效率大幅提升，是一种有前景的植物木质素改良获得性功能策略，可推广至能源作物。