Redirection of the phenylpropanoid pathway to feruloyl malate in Arabidopsis mutants deficient for cinnamoyl-CoA reductase 1
- 作者
- Mohammad Mir Derikvand, Jimmy Berrio Sierra, Katia Ruel, Brigitte Pollet, Cao-Trung Do, Johanne Thevenin, Dominique Buffard, Lise Jouanin, Catherine Lapierre
- 单位
- INRA, Biologie Cellulaire, 78026 Versailles cedex, France; CERMAV-UPR5301, BP53, 38041 Grenoble, France; UMR 206 Chimie Biologique AgroParisTech-INRA, AgroParisTech Centre de Grignon, 78850 Thiverval-Grignon, France
- 杂志
- Planta（2007）
- DOI
- 10.1007/s00425-007-0669-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究拟南芥CCR1敲除突变体中苯丙烷代谢途径的重新定向，特别是木质素合成受阻后碳流如何转向阿魏酰苹果酸等可溶性酚类物质。
研究策略
鉴定两个新的CCR1 T-DNA插入突变体（ccr1g和ccr1s），通过表型分析、木质素化学分析（Klason法、乙酰溴法、硫代酸解）、FTIR光谱、碱水解和LC-MS分析等方法，系统研究突变体在木质素含量、结构以及可溶性酚类代谢物方面的变化。
研究路线图
核心内容
该研究通过鉴定两个新的拟南芥CCR1 T-DNA插入突变体（ccr1g和ccr1s），系统分析了肉桂酰-CoA还原酶1缺失后苯丙烷代谢途径的重新定向。研究发现，突变体表现出矮化和延迟衰老表型，花序茎木质素含量降低25–35%，硫代酸解总单体产量下降20–40%。值得注意的是，硫代酸解释放的阿魏酸增加5–10倍，碱解释放阿魏酸从27 μg/g增至100 μg/g，表明碳流从木质素合成转向可溶性酚类积累。30天龄突变体茎中阿魏酰苹果酸高达279–346 μg/g FM，而野生型几乎不积累；芥子酰苹果酸也显著升高。此外，研究首次在双子叶植物细胞壁中鉴定出阿魏酸-松柏醇醚二聚体。这些结果揭示CCR1缺失后，多余的阿魏酰-CoA通过上调CCR2部分补偿，并重新定向为细胞壁结合阿魏酸酯、阿魏酰苹果酸和芥子酰苹果酸，阿魏酸可作为芥子酰苹果酸合成酶的底物，体现了苯丙烷代谢途径的显著可塑性。
创新点
首次在双子叶植物细胞壁中鉴定出阿魏酸-松柏醇醚二聚体；发现CCR1敲除导致茎中阿魏酰苹果酸大量积累，其水平远超以往报道；揭示了CCR1缺失后苯丙烷途径向阿魏酰苹果酸和细胞壁结合阿魏酸酯的重新定向机制。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，Col-0生态型） | 苯丙烷代谢途径/木质素合成途径 | CCR1 (At1g15950) | 肉桂酰-CoA还原酶1 (Cinnamoyl-CoA reductase 1) | 催化 | 木质素合成途径的第一个特异性酶，敲除后导致木质素降低25-35% |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，Col-0生态型） | 苯丙烷代谢途径/木质素合成途径 | CCR2 (At1g80820) | 肉桂酰-CoA还原酶2 (Cinnamoyl-CoA reductase 2) | 催化 | 通常在防御中表达，在ccr1突变体茎中表达上调，可能补偿CCR1缺失 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，WS生态型） | 苯丙烷代谢途径/木质素合成途径 | F5H1 (At4g36220) | 阿魏酸-5-羟化酶 (Ferulate-5-hydroxylase) | 催化 | 敲除突变体f5h1中SM消失，积累少量FeM（14 μg/g FM），用于对比 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，Col-0生态型） | 可溶性酚类代谢 | — | UDP-葡萄糖:芥子酸葡萄糖基转移酶和芥子酰葡萄糖:苹果酸芥子酰转移酶 | 催化 | 推测参与FeM和SM的生物合成，具有较低底物特异性，可接受阿魏酸 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana，Col-0生态型） | 苯丙烷代谢途径 | — | HCT (hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransferase) | 催化 | 可能具有硫酯酶活性，参与将阿魏酰-CoA水解为阿魏酸和CoASH |
关键发现
- 两个CCR1敲除突变体表现出矮化、延迟衰老的表型，花序茎木质素含量降低25-35%（Klason法：Col 0为14.42%和18.26%，ccr1g为10.60%和11.73%，ccr1s为10.90%）
- 硫代酸解总单体产量降低20-40%
- 硫代酸解释放的阿魏酸和G-CHR-CHR2（阿魏酸掺入木质素的标志物）增加5-10倍（如第一培养中阿魏酸从0.66增加到4.49 μmol/g KL）
- 碱解释放阿魏酸从27 μg/g增加到100 μg/g（约4倍）
- 3天龄突变体幼苗中芥子酰苹果酸（SM）为对照的1/3-1/4（Col 0为355 μg/g FM，ccr1g为72，ccr1s为93），并积累阿魏酰苹果酸（FeM）约55-59 μg/g FM
- 16天龄突变体幼苗SM从1123降至427/404 μg/g FM，FeM约95/78 μg/g FM
- 30天龄茎中FeM高达279-346 μg/g FM，SM为292-458 μg/g FM（对照仅为138）
- f5h1突变体中FeM仅为14 μg/g FM，远低于ccr1突变体。
研究结论
CCR1缺失导致木质素合成受阻，但通过上调CCR2部分补偿，同时将多余的阿魏酰-CoA重新定向为细胞壁结合的阿魏酸酯、阿魏酰苹果酸和芥子酰苹果酸。阿魏酸可作为SM生物合成酶的底物，揭示了苯丙烷代谢的显著可塑性。