Down-regulation of four putative arabinoxylan feruloyl transferase genes from family PF02458 reduces ester-linked ferulate content in rice cell walls

作者: Fernando Piston, Cristobal Uauy, Lianhai Fu, James Langston, John Labavitch, Jorge Dubcovsky
单位: Department of Plant Sciences, University of California, One Shields Avenue, Mail Stop 1, Davis, CA 95616, USA; Dept. de Agronomia y Mejora Genetica Vegetal, Instituto de Agricultura Sostenible, CSIC, Alameda del Obispo s/n, 14080 Cordoba, Spain; Department of Crop Genetics, John Innes Centre, Colney Lane, Norwich NR4 7UH, UK
杂志: Planta（2010）
DOI: 10.1007/s00425-009-1077-1
所属领域: 植物代谢工程
关键词: BiofuelsDigestibilityFerulateGlucuronorabinoxylanGlycosyltransferaseHydroxycinnamates
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解决的核心问题

鉴定参与禾本科植物细胞壁阿魏酸酯化掺入的基因，为降低细胞壁阿魏酸含量、提高纤维素生物质酶解效率提供靶点。

研究策略

利用生物信息学预测PF02458家族在禾本科中高表达，结合RNA干扰（RNAi）同时沉默多个候选基因，通过转基因水稻分析基因表达与细胞壁阿魏酸/对香豆酸含量的变化，验证候选基因功能。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究通过生物信息学预测和RNA干扰技术，鉴定并验证了水稻中参与细胞壁阿魏酸酯化掺入的候选基因。研究者选取PF02458家族中在禾本科高表达的四个推定阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶基因（Os05g08640、Os06g39470、Os01g09010、Os06g39390），构建靶向多个同源基因的RNAi构建体pAFT-B，转化水稻后分析转基因株系中基因表达及细胞壁酚酸含量的变化。结果显示，同时下调这四个基因可显著降低叶片细胞壁酯键连接阿魏酸含量，两个独立实验中分别降低32%和19%；其中事件B11降低27%，事件B1降低12%，而茎中阿魏酸含量无显著变化。相比之下，靶向I/II组基因的pAFT-A构建对阿魏酸无显著影响，但在实验2中使茎中对香豆酸含量降低24%。五个高表达基因占该家族总转录本约92%，且Os06g39390茎/叶转录比高达95.7，暗示组织特异性表达模式。该研究首次为PF02458家族成员参与水稻细胞壁阿魏酰化提供了实验证据，下调这些基因可降低细胞壁阿魏酸含量，为改善草类生物质的酶解效率和纤维素乙醇生产提供了潜在靶点。

创新点

首次通过实验证据支持PF02458家族成员作为推定的阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶参与水稻细胞壁阿魏酸掺入；采用RNAi同时沉默多个同源基因以克服遗传冗余。

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
水稻(Oryza sativa L. ssp. japonica cv 'Kitake')	细胞壁葡糖醛酸阿拉伯木聚糖(GAX)的阿魏酰化	Os05g08640	PF02458家族推定阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶(AFT)	催化	pAFT-B靶基因之一（III组）
水稻(Oryza sativa L. ssp. japonica cv 'Kitake')	细胞壁葡糖醛酸阿拉伯木聚糖(GAX)的阿魏酰化	Os06g39470	PF02458家族推定阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶(AFT)	催化	pAFT-B靶基因之一（III组）
水稻(Oryza sativa L. ssp. japonica cv 'Kitake')	细胞壁葡糖醛酸阿拉伯木聚糖(GAX)的阿魏酰化	Os01g09010	PF02458家族推定阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶(AFT)	催化	pAFT-B靶基因之一（IV组）
水稻(Oryza sativa L. ssp. japonica cv 'Kitake')	细胞壁葡糖醛酸阿拉伯木聚糖(GAX)的阿魏酰化	Os06g39390	PF02458家族推定阿拉伯木聚糖阿魏酰转移酶(AFT)	催化	pAFT-B靶基因之一（IV组），茎/叶转录比高达95.7

关键发现

通过RNAi同时下调四个基因(Os05g08640、Os06g39470、Os01g09010、Os06g39390，pAFT-B构建)可显著降低水稻叶片细胞壁酯键连接阿魏酸含量：实验1中降低32%(P=0.003)，实验2中降低19%(P<0.0001)。其中事件B11降低27%(P<0.0001)，事件B1降低12%(P=0.02)。茎中FA无显著变化。pAFT-A构建（靶向I/II组基因）对FA无显著影响，但茎中对香豆酸(pCA)含量在实验2中降低24%(P=0.04)。对照株中茎/叶FA比为1.8，pCA比为5.9
Os06g39390茎/叶转录比高达95.7。五个高表达基因占PF02458家族转录本约92%。

研究结论

研究结果表明水稻PF02458家族中III和IV组基因参与细胞壁阿魏酸的掺入，下调这些基因可降低叶片细胞壁FA含量，有望提高细胞壁可降解性和纤维素乙醇生产效率，为改善草类生物质转化提供了靶点。