LACCASE14 is required for the deposition of guaiacyl lignin and affects cell wall digestibility in poplar
- 作者
- Shifei Qin, Chunfen Fan, Xiaohong Li, Yi Li, Jian Hu, Chaofeng Li, Keming Luo
- 单位
- Chongqing Key Laboratory of Plant Resource Conservation and Germplasm Innovation, School of Life Sciences, Southwest University; Key Laboratory of Eco-Environments of Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, School of Life Sciences, Southwest University
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2020）
- DOI
- 10.1186/s13068-020-01843-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质素是木质纤维素生物质转化过程中的主要抗性因子，本研究旨在解析杨树漆酶PtoLAC14在木质素沉积和细胞壁消化性中的作用，为降低生物质抗性提供靶点。
研究策略
利用拟南芥FOX基因过表达文库筛选木质素含量升高的矮化突变体，克隆杨树漆酶基因PtoLAC14；通过互补拟南芥lac4突变体、在杨树中过表达和CRISPR/Cas9敲除、体外酶活测定以及生物质酶解糖化分析，综合解析该基因的功能。
核心内容
该研究从拟南芥FOX过表达文库中筛选到木质素含量升高的矮化突变体，进而克隆了毛白杨漆酶基因PtoLAC14，并系统解析了其在木质素沉积和细胞壁消化性中的功能。通过互补拟南芥lac4突变体、在杨树中过表达和CRISPR/Cas9敲除、体外酶活测定及生物质酶解糖化分析，证实PtoLAC14特异性促进愈创木基（G）木质素单体的聚合。关键结果显示，表达pAtLAC4::PtoLAC14可将lac4突变体木质素含量从16.9%恢复至野生型水平（20.4%）；PtoLAC14过表达杨树株系木质素含量增加11%-15%，S/G比降低13%-15%，而敲除株系S/G比显著升高，经4% H2SO4预处理后己糖释放增加7%-10%，4% NaOH预处理后己糖释放增加12%-16%，干重损失增加10%-15%。重组蛋白对松柏醇的氧化效率高于芥子醇，进一步支持其G单体偏好性。该研究首次从白杨中鉴定出漆酶PtoLAC14，表明其是调控木质素组成和生物质酶解效率的关键靶点，为通过细胞壁工程改良纤维乙醇生产原料提供了新的基因资源。
创新点
首次从白杨中鉴定出漆酶PtoLAC14，并证明其特异性促进愈创木基（G）木质素单体沉积；利用CRISPR/Cas9敲除PtoLAC14显著提高木质素S/G比并增强生物质酶解糖化效率。
研究对象（4）
| 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 | AtLAC4 | LACCASE4 | 催化 | 拟南芥漆酶4，参与木质素聚合，lac4突变体木质素含量降低 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 木质素生物合成 | PtoLAC14 | PtoLAC14 (PtOLAC14) | 催化 | 来自毛白杨的漆酶基因，可功能互补拟南芥lac4突变体，促进G木质素沉积 |
| 毛白杨 (Populus tomentosa) | 木质素生物合成 | PtoLAC14 | PtoLAC14 | 催化 | 在杨树中过表达PtoLAC14增加木质素含量并降低S/G比；CRISPR/Cas9敲除提高S/G比和糖化效率 |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 木质素单体氧化 | PtoLAC14 | 重组PtoLAC14蛋白 | 催化 | 体外酶活实验表明重组蛋白可氧化单木质素醇，对松柏醇（G前体）亲合力更高 |
关键发现
- 拟南芥野生型Col-0总木质素含量为20.4%，lac4突变体降至16.9%，表达pAtLAC4::PtoLAC14可恢复至野生型水平
- PtoLAC14过表达杨树株系木质素含量增加11%-15%，S/G比降低13%-15%，管胞和纤维细胞面积减少40%-47%
- PtoLAC14敲除株系S/G比显著升高，4% H2SO4预处理后己糖释放增加7%-10%，4% NaOH预处理后己糖释放增加12%-16%，干重损失增加10%-15%
- 重组PtoLAC14蛋白对松柏醇（G单体前体）的氧化效率高于芥子醇（S单体前体）。
研究结论
PtoLAC14在木质素聚合中发挥关键作用，特异性促进愈创木基（G）木质素沉积；敲除PtoLAC14可提高S/G比并显著增强生物质酶解糖化效率，是细胞壁工程和纤维乙醇生产的优良靶点。