The Simultaneous Repression of CCR and CAD, Two Enzymes of the Lignin Biosynthetic Pathway, Results in Sterility and Dwarfism in Arabidopsis thaliana
- 作者
- Johanne Thévenin, Brigitte Pollet, Bruno Letarnec, Luc Saulnier, Lionel Gissot, Alessandra Maia-Grondard, Catherine Lapierre, Lise Jouanin
- 单位
- Institut Jean Pierre Bourgin (UPPB), INRA-AgroParisTech, UMR1318, 78026 Versailles Cedex, France; Unité de Recherche 1268, Biopolymères, Assemblages, Interactions (BIA), INRA, BP71627, 44316 Nantes Cedex 03, France; Laboratoire Commun de Cytologie et d'Imagerie Végétale, UPPB, INRA-AgroParisTech, UMR1318, 78026 Versailles, France; Plateau technique de Chimie du végétal, UPPB, INRA-AgroParisTech, UMR1318, 78028 Versailles, France
- 杂志
- Molecular Plant（2011）
- DOI
- 10.1093/mp/ssq045
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
同时抑制木质素生物合成途径最后两步的关键酶CCR和CAD，对拟南芥植株生长发育、木质素含量与结构以及可溶性酚类代谢的综合影响。
研究策略
通过将cad c cad d双突变体与ccr1g单突变体杂交获得三突变体ccc（cad c cad d ccr1），利用RT-PCR、组织化学染色、共聚焦显微镜、硫代酸解、Klason木质素测定、糖分析、LC-MS和基因表达分析等手段进行表型和代谢表征。
核心内容
本研究通过将cad c cad d双突变体与ccr1单突变体杂交，首次在拟南芥中获得同时缺失木质素途径最后两个还原步骤关键酶CCR1和CAD C/D的三突变体ccc，系统探究了该三重缺失对植株生长发育、木质素含量与结构及可溶性酚类代谢的综合影响。结果显示，ccc突变体成熟茎Klason木质素含量降至8.86% CWR（野生型约18.7%），降幅约50%，硫代酸解总单体产量仅5 μmol/g KL（野生型约1520 μmol/g KL），表明逾95%的木质素单元涉及抗性键，木质素结构严重改变。同时，ccc花药内皮层次生增厚缺失导致花药不开裂及雄性不育，并伴随严重矮化；茎部可溶性酚类大量积累，如黄酮醇糖苷和芥子酰苹果酸分别达580和920 μg/g FM，游离生长素在茎基部显著积累。此外，细胞壁总糖含量较野生型降低约10%，CCR2和CAD1的诱导表达并不能补偿CCR1和CAD C/D缺失。这些发现揭示了同时抑制木质素特异性CCR和CAD基因不仅大幅削减木质素并改变其结构，还引发严重发育缺陷，提示在利用基因工程降低木质素以促进木质纤维素生物转化时，必须审慎考虑其潜在的不良农艺性状影响。
创新点
首次在拟南芥中获得同时敲除CCR1和CAD C/D的三突变体，揭示同时缺失木质素途径最后两个还原步骤比单基因缺失具有更严重的表型后果，包括雄性不育和严重矮化。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CCR1 | 肉桂酰辅酶A还原酶 | 催化 | At1g15950，木质化主要CCR；缺失导致木质素减少和矮化 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CAD C | 肉桂醇脱氢酶C | 催化 | At3g19450，参与木质素生物合成的主要CAD之一 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CAD D | 肉桂醇脱氢酶D | 催化 | At4g34230，参与木质素生物合成的主要CAD之一 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CCR2 | 肉桂酰辅酶A还原酶2 | 催化 | At1g80820，应激诱导表达，但不能补偿CCR1缺失 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CAD1 | 肉桂醇脱氢酶1 | 催化 | At4g39330，在ccc中过表达但不能补偿CAD C/D缺失 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 木质素生物合成途径（monolignol biosynthesis） | CADB1 | 肉桂醇脱氢酶B1 | 催化 | At4g37980，在ccc中被诱导，可能与应激状态有关 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 苯丙烷代谢/木质素生物合成 | REF1 | 羟基肉桂醛脱氢酶（REduced Fluorescence 1） | 催化 | At3g24503，参与芥子酸合成，在ccc中下调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 苯丙烷代谢/木质素生物合成 | F5H1 | 阿魏酸5-羟化酶1 | 催化 | At4g36220，参与芥子醇和芥子酸酯合成，在ccc中下调 |
关键发现
- ccc三突变体成熟茎Klason木质素含量降至8.86% CWR（野生型约18.7%），降低约50%
- 硫代酸解总单体产量仅5 μmol/g KL（野生型约1520 μmol/g KL），表明超过95%的木质素单元涉及抗性键
- ccc花药内皮层次生增厚缺失，导致花药不开裂和雄性不育
- ccc茎中可溶性酚类大量积累，黄酮醇糖苷580 μg/g FM、芥子酰苹果酸920 μg/g FM、阿魏酰苹果酸580 μg/g FM（茎基部），而野生型中这些化合物含量极低
- 游离生长素在ccc茎基部显著积累
- ccc细胞壁总糖含量比野生型降低10%（55.7 g/100g CWR），葡萄糖比例下降、阿拉伯糖和糖醛酸比例升高
- CCR2和CAD1诱导表达不能补偿CCR1和CAD C/D的缺失。
研究结论
同时抑制木质素特异的CCR和CAD基因（CCR1、CAD C、CAD D）不仅导致木质素含量大幅降低和结构严重改变，还引起植物严重矮化和雄性不育，影响花药开裂和种子发育；这种发育影响在利用基因工程降低木质素以促进木质纤维素转化为生物乙醇时必须谨慎考虑。