高级醇 · 代谢工程文献库

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Silencing CAFFEOYL SHIKIMATE ESTERASE affects lignification and improves saccharification

作者
Marina de Lyra Soriano Saleme, Igor Cesarino, Livia Vargas, Hoon Kim, Ruben Vanholme, Geert Goeminne, Rebecca Van Acker, Fernando Campos de Assis Fonseca, Andreas Pallidis, Wannes Voorend, José Nicomedes Junior, Dharshana Padmakshan, Jan Van Doorsseleare, John Ralph, Wout Boerjan
单位
Ghent University, Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Technologiepark 927, 9052 Ghent, Belgium; VIB Center for Plant Systems Biology, Technologiepark 927, 9052 Ghent, Belgium; Department of Botany, Institute of Biosciences, University of São Paulo, Rua do Matão 277, 05508-090, Butantã, São Paulo, Brazil; Department of Energy Great Lakes Bioenergy Research Center, Wisconsin Energy Institute, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53726, USA; Department of Biochemistry, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA; Petróleo Brasileiro S.A. (Petrobras) - Centro de Pesquisas Leopoldo Américo Miguez de Mello (CENPES), Rio de Janeiro, Brazil; VIVES, 8800 Roeselare, Belgium
杂志
Plant Physiology（2017）
DOI
10.1104/pp.17.00920
所属领域
代谢工程
关键词
Populus spp.caffeoyl shikimate esteraseligninphenolic profilingsaccharification
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解决的核心问题

探究咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）在杨树木质素生物合成中的作用，并评估下调CSE是否可作为改善木质纤维素生物质糖化效率的策略。

研究策略

通过RNAi（发夹RNA）沉默杂交杨中的CSE基因，结合酶活测定、基因表达分析、木质素含量与组成分析（Klason、硫代酸解、2D-NMR）、酚类代谢组学（UHPLC-MS）以及不同预处理条件下的糖化实验，多层面评估CSE下调的影响。

研究路线图

100%
研究问题：CSE在杨树木质素合成中的作用及下调策略
实验策略：RNAi沉默杨树CSE基因，多组学评估
关键改造：hpCSE沉默载体构建与遗传转化
酶活与表达：CSE底物积累36倍，酶活性受抑
木质素含量降低最多25%（Klason），纤维素增加13%
木质素组成改变：H型比例增加，S/G比降低
糖化效率：无预处理提高31%，碱预处理提高51%
总葡萄糖释放：碱预处理后提升91%/50%
结论：CSE是改良杨树生物质糖化效率的有效靶点
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核心内容

该研究通过发夹RNA介导的RNAi沉默杂交杨（Populus tremula × P. alba）中的两个咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）同源基因，系统评估了CSE在木质素生物合成中的功能及其对糖化效率的影响。酶活测定和基因表达分析证实杨树木质部提取物具有CSE活性，且两个基因均被有效下调。Klason法显示木质素沉积最多降低25%，纤维素相对含量增加8%–13%；硫代酸解和2D-NMR分析表明H型木质素单元比例显著上升（最高增加113%），S/G比从2.06降至1.85/1.90。无预处理条件下，CSE下调株系的纤维素-葡萄糖转化率较野生型提高31%，酸预处理后最高提升48%，碱预处理后最高提升51%，单株总葡萄糖释放量增幅可达91%。酚类代谢组学显示底物咖啡酰莽草酸积累至野生型的36倍，提示代谢流在CSE下游受阻并发生重塑。这些结果首次在杨树中提供了CSE参与木质素合成的遗传学证据，且CSE下调在不影响植株正常生长的前提下显著改善生物质糖化效率，表明CSE是林木生物质改良的可行靶点。

创新点

首次在杨树中通过遗传学证据证实CSE参与木质素生物合成；证明杨树木质部蛋白提取物具有CSE活性；CSE下调在不影响植株生长的情况下显著降低木质素含量并提高糖化效率；通过酚类代谢谱揭示CSE下游代谢重塑。

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Populus tremula × P. alba (INRA 717-1B4) 苯丙烷/木质素生物合成通路 PtxaCSE1 (Potri.001G175000) CSE (Caffeoyl shikimate esterase) 催化 杨树CSE同源基因1，在木质部高表达，编码催化咖啡酰莽草酸水解为咖啡酸的酶
Populus tremula × P. alba (INRA 717-1B4) 苯丙烷/木质素生物合成通路 PtxaCSE2 (Potri.003G059200) CSE (Caffeoyl shikimate esterase) 催化 用于构建hpCSE沉默载体，与PtxaCSE1协同沉默，导致木质素含量降低和糖化效率提高

关键发现

  1. CSE下调导致木质素沉积最多降低25%（Klason法，hpCSE#2），纤维素相对含量增加8%-13%
  2. H型木质素单元比例增加（硫代酸解：+51%和+113%
  3. NMR：+100%和+110%），S/G比降低（硫代酸解：从2.06降至1.85/1.90
  4. NMR：从1.62降至1.43/1.40）
  5. 无预处理时，hpCSE#1的纤维素-葡萄糖转化率在48h较野生型高31%，酸预处理后高48%/46%，碱预处理后高51%/40%
  6. 每株总葡萄糖释放量无预处理时hpCSE#1高62%，酸预处理后高86%/57%，碱预处理后高91%/50%
  7. CSE底物咖啡酰莽草酸（caffeoyl shikimate）积累，最高达野生型36倍。

研究结论

CSE在杨树木质素合成中发挥重要作用，下调CSE能降低木质素含量、提高纤维素相对含量和糖化效率，且不影响植株正常生长，表明CSE是改良杨树等生物质作物的有效靶点。