Structural redesigning Arabidopsis lignins into alkali-soluble lignins through the expression of p-coumaroyl-CoA:monolignol transferase (PMT)
- 作者
- Richard Sibout, Philippe Le Bris, Frédéric Legée, Laurent Cézard, Hugues Renault, Catherine Lapierre
- 单位
- Institut Jean-Pierre Bourgin, INRA, AgroParisTech, Université Paris-Saclay, 78000 Versailles, France; Institute of Plant Molecular Biology, CNRS - University of Strasbourg, 67084 Strasbourg, France; Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS), University of Freiburg, 79104 Freiburg, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2016）
- DOI
- 10.1104/pp.15.01877
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过遗传改造提高非禾本科植物木质素的p-香豆酰化水平至禾本科植物水平，并评估其对木质素结构和碱溶性的影响。
研究策略
将Brachypodium distachyon的PMT基因（BdPMT1和BdPMT2）在拟南芥中通过AtC4H启动子驱动表达，并引入fah1和ccr1g突变体背景，获得高p-香豆酰化木质素，进而分析木质素结构变化和碱溶性。
核心内容
本研究通过异源表达二穗短柄草的p-香豆酰辅酶A：木质素单体转移酶基因BdPMT1和BdPMT2，在拟南芥中实现了木质素p-香豆酰化的结构重塑。研究利用AtC4H启动子驱动PMT表达，并引入fah1和ccr1g突变体背景，评估不同遗传背景下木质素结构变化与碱溶性。结果显示，转基因株系细胞壁释放的p-香豆酸达7.84–13.36 mg/g CW，而野生型仅为0.01–0.02 mg/g，提纯木质素中p-香豆酸释放量高达76.6 mg/g DL，p-香豆酰化水平首次达到禾本科成熟茎的8–9%重量比。结构分析表明，木质素中G单元游离酚羟基比例从13.7–14.0%提高至21.8–55.4%，Klason木质素含量降低10–30%。在1M NaOH室温处理下，木质素碱溶性从野生型的25%提升至约50%，提升约两倍。此外，在ccr1g背景下，葡萄糖酶解释放量从165.1 mg/g提高至254.7 mg/g。研究证明通过PMT表达可有效提高非禾本科植物木质素的p-香豆酰化，增加游离酚羟基和抗性键含量，显著改善碱预处理效率，为木质纤维素生物质的温和碱处理利用提供了新的遗传改良策略。
创新点
首次将拟南芥木质素的p-香豆酰化水平提高到禾本科成熟茎的水平（8-9%重量比），并发现高p-香豆酰化导致木质素游离酚羟基频率显著增加，碱溶性提高约两倍。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 木质素生物合成途径 | BdPMT1 | p-香豆酰辅酶A：木质素单体转移酶 (PMT1) | 催化 | 来自Brachypodium distachyon的Bradi2g36910基因，在AtC4H启动子驱动下高表达，催化木质素单体p-香豆酰化，使木质素p-香豆酰化达到禾本科水平。 |
| Arabidopsis thaliana | 木质素生物合成途径 | BdPMT2 | p-香豆酰辅酶A：木质素单体转移酶 (PMT2) | 催化 | 来自Brachypodium distachyon的Bradi1g36980基因，在AtC4H启动子驱动下高表达，也能有效催化木质素单体p-香豆酰化，效果与BdPMT1相当。 |
| Arabidopsis thaliana | 木质素生物合成途径 | F5H | 阿魏酸5-羟化酶 (F5H) | 催化 | fah1突变体缺乏该酶，无法合成S木质素单元，在BdPMT1/fah1背景下用于验证PMT1对G木质素单元的p-香豆酰化能力。 |
| Arabidopsis thaliana | 木质素生物合成途径 | CCR1 | 肉桂酰辅酶A还原酶1 (CCR1) | 催化 | ccr1g突变体缺乏该酶，导致阿魏酰辅酶A积累，在BdPMT1/ccr1g背景下PMT1还能催化形成木质素单体阿魏酸酯，实现木质素阿魏酰化。 |
关键发现
- BdPMT1/wt和BdPMT2/wt株系细胞壁中p-香豆酸释放量达7.84-13.36 mg/g CW，而WT仅0.01-0.02 mg/g
- 提纯的二氧六环木质素中CA释放量高达76.6 mg/g DL
- Klason木质素含量降低10-30%
- 碱溶性（1M NaOH, 20°C过夜）从WT的25%提高到转基因系的约50%
- 糖化效率在ccr1g背景下葡萄糖释放从165.1 mg/g提高到254.7 mg/g
- 木质素中G单元游离酚羟基比例从13.7-14.0%提高到21.8-55.4%。
研究结论
通过表达BdPMT1/2并利用AtC4H启动子，可成功将拟南芥木质素p-香豆酰化提高至禾本科水平，伴随木质素结构改变（游离酚羟基增多、抗性键增加），显著提高木质素在室温碱中的溶解度，为改良非禾本科生物质碱预处理效率提供了新策略。