Downregulation of a putative plastid PDC E1α subunit impairs photosynthetic activity and triacylglycerol accumulation in nitrogen-starved photoautotrophic Chlamydomonas reinhardtii
- 作者
- Nastassia Shtaida, Inna Khozin-Goldberg, Alexei Solovchenko, Konstantin Chekanov, Shoshana Didi-Cohen, Stefan Leu, Zvi Cohen, Sammy Boussiba
- 单位
- Microalgal Biotechnology Laboratory, French Associates Institute for Agriculture and Biotechnology of Drylands, J. Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev, Sede Boqer Campus 84990, Israel; Department of Bioengineering, Faculty of Biology, Moscow State University, 119234, GSP-1 Moscow, Russia
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2015）
- DOI
- 10.1093/jxb/eru374
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明叶绿体丙酮酸脱氢酶复合体（cpPDC）在自养条件下微藻脂肪酸从头合成中乙酰-CoA供应中的作用，特别是氮饥饿诱导的甘油三酯（TAG）积累过程中的关键角色。
研究策略
利用人工microRNA（amiRNA）技术沉默莱茵衣藻CC-1618中预测编码叶绿体丙酮酸脱氢酶E1α亚基的PDC2_E1α基因，在光自养（HSM）和混合营养（TAP）两种碳源条件下，比较氮充足与氮缺乏培养基中突变体与空载体对照的生长、脂肪酸和TAG积累、光合活性及色素组成。
核心内容
该研究通过人工microRNA技术沉默了莱茵衣藻中预测编码叶绿体丙酮酸脱氢酶E1α亚基的PDC2_E1α基因，以阐明该酶复合体在自养条件下脂肪酸从头合成及氮饥饿诱导甘油三酯积累中的作用。在光自养氮饥饿条件下，PDC2_E1α表达量降低60%至90%的转化株系生物量干重降至对照的51%至76%，总脂肪酸含量下降25%至50%，甘油三酯含量仅为对照的45%至60%，其中油酸绝对含量减少70%至85%；同时光合效率受损，Fv/Fm值由对照的0.73降至0.57至0.66。在混合营养条件下，上述表型差异基本消失。结果表明叶绿体丙酮酸脱氢酶复合体是自养条件下叶绿体乙酰-CoA供应的关键控制点，其下调直接限制氮饥饿时脂肪酸合成和甘油三酯积累，并导致光合电子传递链过度还原而损害光合活性，而乙酸可作为替代碳源缓解该限制。
创新点
['首次提供直接实验证据表明cpPDC为自养条件下微藻叶绿体脂肪酸从头合成提供乙酰-CoA，是TAG积累的关键决定因素。', '采用amiRNA技术特异性地沉默PDC2_E1α，获得表达量降低60-90%的转化株系。', '揭示cpPDC下调导致光合电子传递链过度还原，损害PSII效率和光合放氧，尤其在氮饥饿条件下。']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlamydomonas reinhardtii CC-1618 (arg7 cw15 mt) | 叶绿体丙酮酸脱氢酶复合体/脂肪酸从头合成 | PDC2_E1α (Cre02.g099850) | 叶绿体丙酮酸脱氢酶E1α亚基 | 催化 | 通过amiRNA技术下调表达，催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，为脂肪酸合成提供底物。 |
关键发现
- PDC2_E1α表达量在pdh株系中降低60-90%
- 在光自养氮饥饿（HSM-N）条件下，pdh株系的生物量干重分别降至对照的51%（pdh72）、57%（pdh42）和76%（pdh21）
- 叶绿素培养含量较对照降低40-70%
- 总脂肪酸（TFA）含量较对照下降25-50%，体积TFA产量下降45-75%
- TAG含量仅为对照的45-60%
- TAG中油酸（18:1Δ9）相对比例仅为对照的50-60%，绝对含量（μg mg⁻¹）在NL中减少60-85%、在TAG中减少70-85%
- Fv/Fm在HSM-N中pdh21、pdh42、pdh72分别为0.65、0.66、0.57，而EV为0.73
- 在混合营养TAP-N中，TAG和TFA产量与对照无显著差异。
研究结论
cpPDC是自养条件下莱茵衣藻叶绿体中乙酰-CoA供应的关键控制点，对氮饥饿诱导的脂肪酸从头合成和TAG积累至关重要。PDC2_E1α下调导致乙酰-CoA供应不足，限制TAG作为碳和能量储存库的形成，造成光合电子传递链过度还原，损害光合活性和细胞对氮胁迫的适应能力。混合营养条件下，乙酸可作为替代乙酰-CoA来源，因此影响轻微。