EgMADS3 trực tiếp điều chỉnh EgLPAAT để điều hòa quá trình đồng hóa axit béo chuỗi trung bình (MCFA) trong mô trung của cây cọ dầu

Yaning Wang1, Jinqi Yan1, Ming Yang, Jixin Zou2, Yusheng Zheng1, Dongdong Li1
1Sanya Nanfan Research Institute, College of Tropical Crops, Hainan University, Hainan, China
2Rubber Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences (CATAS), Haikou, China

Tóm tắt

EgMADS3, một yếu tố phiên mã quan trọng, điều chỉnh tích cực sự tích lũy MCFA thông qua việc gắn vào promoter EgLPAAT, nâng cao hàm lượng lipid trong mô trung của cây cọ dầu. Lipid hoạt động như các thành phần cấu trúc của màng tế bào, tạo ra các rào cản thấm đối với môi trường bên ngoài của tế bào. Axit béo chuỗi trung bình trong lipid dự trữ của thực vật là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng. Hầu hết các nghiên cứu về việc sản xuất MCFA trong tổng hợp lipid thực vật dựa trên các phương pháp sinh hóa, và tầm quan trọng của việc điều chỉnh phiên mã trong tổng hợp MCFA và việc tích hợp của nó vào TAGs cần được nghiên cứu thêm. Cây cọ dầu là cây dầu năng suất cao nhất trên thế giới và có năng suất cao nhất trong các cây dầu chính. Trong nghiên cứu này, yếu tố phiên mã MADS (EgMADS3) trong mô trung của cây cọ dầu đã được đặc trưng. Thông qua việc ức chế gen do virus gây ra (VIGS), đã xác định được gen mục tiêu tiềm năng của EgMADS3 liên quan đến sinh tổng hợp axit béo chuỗi trung bình (MCFA). Biến nạp tạm thời trong protoplast và phân tích qRT-PCR cho thấy EgMADS3 điều chỉnh tích cực sự biểu hiện của EgLPAAT. Kết quả từ các thử nghiệm một-hybrid men và EMSA cho thấy sự tương tác giữa EgMADS3 và promoter EgLPAAT. Thông qua biến đổi gen và phân tích axit béo, kết luận rằng EgMADS3 điều chỉnh trực tiếp con đường tổng hợp axit béo chuỗi trung bình của gen mục tiêu tiềm năng EgLPAAT, từ đó thúc đẩy sự tích lũy MCFA và cải thiện tổng hàm lượng lipid. Nghiên cứu này có tính đổi mới trong việc phân tích chức năng của yếu tố phiên mã họ MADS trong trao đổi chất axit béo chuỗi trung bình (MCFA) của cây cọ dầu, cung cấp một nền tảng nghiên cứu nhất định cho việc cải thiện con đường chuyển hóa axit béo chuỗi trong cây cọ dầu, và cải thiện tổng hợp MCFA trong thực vật. Kết quả của chúng tôi sẽ cung cấp một hướng tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về việc cải thiện chất lượng dầu thông qua công nghệ sinh học của cây cọ dầu.

Từ khóa

#EgMADS3 #EgLPAAT #axit béo chuỗi trung bình #cây cọ dầu #sinh tổng hợp lipid

Tài liệu tham khảo

Adam H, Jouannic S, Orieux Y, Morcillo F, Richaud F, Duval Y, Tregear JW (2007) Functional characterization of MADS box genes involved in the determination of oil palm flower structure. J Exp Bot 58:1245–1259 Angkawijaya AE, Van Cam N, Nakamura Y (2019) Lysophosphatidic acid acyltransferases 4 and 5 are involved in glycerolipid metabolism and nitrogen starvation response in Arabidopsis. New Phytol 224:336–351 Arroyo-Caro JM, Chileh T, Kazachkov M, Zou J, Alonso DL, García-Maroto F (2013) The multigene family of lysophosphatidate acyltransferase (LPAT)-related enzymes in Ricinus communis: cloning and molecular characterization of two LPAT genes that are expressed in castor seeds. Plant Sci 199–200:29–40 Bach AC, Babayan VK (1982) Medium-chain triglycerides: an update. Am J Clin Nutr 36:950–962 Brown AP, Carnaby S, Brough C, Brazier M, Slabas AR (2002) Limnanthes douglasii lysophosphatidic acid acyltransferases: immunological quantification, acyl selectivity and functional replacement of the Escherichia coli plsC gene. Biochem J 364:795–805 Coen ES, Meyerowitz EM (1991) The war of the whorls: genetic interactions controlling flower development. Nature 353:31–37 Dussert S, Guerin C, Andersson M, Joet T, Tranbarger TJ, Pizot M, Sarah G, Omore A, Durand-Gasselin T, Morcillo F (2013) Comparative transcriptome analysis of three oil palm fruit and seed tissues that differ in oil content and fatty acid composition. Plant Physiol 162:1337–1358 Dyer JM, Stymne S, Green AG, Carlsson AS (2008) High-value oils from plants. Plant J 54:640–655 Elo A, Lemmetyinen J, Turunen M-L, Tikka L, Sopanen T (2001) Three MADS-box genes similar to APETALA1 and FRUITFULL from silver birch (Betula pendula). Physiol Plant 112:95–103 Guerin C, Serret J, Montúfar R, Vaissayre V, Bastos-Siqueira A, Durand-Gasselin T, Tregear J, Morcillo F, Dussert S (2020) Palm seed and fruit lipid composition: phylogenetic and ecological perspectives. Ann Bot 125:157–172 Hanke C, Wolter FP, Coleman J, Peterek G, Frentzen M (1995) A plant acyltransferase involved in triacylglycerol biosynthesis complements an Escherichia coli sn-1-acylglycerol-3-phosphate acyltransferase mutant. Eur J Biochem 232:806–810 Haslam TM, Kunst L (2013) Extending the story of very-long-chain fatty acid elongation. Plant Sci 210:93–107 Kaufmann K, Melzer R, Theissen G (2005) MIKC-type MADS-domain proteins: structural modularity, protein interactions and network evolution in land plants. Gene 347:183–198 Knutzon DS, Lardizabal KD, Nelsen JS, Bleibaum JL, Davies HM, Metz JG (1995) Cloning of a coconut endosperm cDNA encoding a 1-acyl-sn-glycerol-3-phosphate acyltransferase that accepts medium-chain-length substrates. Plant Physiol 109:999–1006 Knutzon H, Wyrick X, Maelor Davies H, Voelker (1999) Lysophosphatidic acid acyltransferase from coconut endosperm mediates the insertion of laurate at the sn-2 position of triacylglycerols in lauric rapeseed oil and can increase total laurate levels. Plant Physiol 120:739–746 Körbes AP, Kulcheski FR, Margis R, Margis-Pinheiro M, Turchetto-Zolet AC (2016) Molecular evolution of the lysophosphatidic acid acyltransferase (LPAAT) gene family. Mol Phylogenet Evol 96:55–69 Li H, Liang W, Yin C, Zhu L, Zhang D (2011) Genetic interaction of OsMADS3, DROOPING LEAF, and OsMADS13 in specifying rice floral organ identities and meristem determinacy. Plant Physiol 156:263–274 Li S-y, Zhang Q, Jin Y-h, Zou J-x, Zheng Y-s, Li D-d (2020) A MADS-box gene, EgMADS21, negatively regulatesEgDGAT2expression and decreases polyunsaturated fatty acid accumulation in oil palm (Elaeis guineensisJacq.). Plant Cell Rep 39:1505–1516 Livak KJ, Schmittgen TD (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods (san Diego, CA) 25:402–408 Loganathan R, Subramaniam KM, Radhakrishnan AK, Choo YM, Teng KT (2017) Health-promoting effects of red palm oil: evidence from animal and human studies. Nutr Rev 75:98–113 Maisonneuve S, Bessoule JJ, Lessire R, Delseny M, Roscoe TJ (2010) Expression of rapeseed microsomal lysophosphatidic acid acyltransferase isozymes enhances seed oil content in Arabidopsis. Plant Physiol 152:670–684 Ohlrogge J, Thrower N, Mhaske V, Stymne S, Baxter M, Yang W, Liu J, Shaw K, Shorrosh B, Zhang M, Wilkerson C, Matthäus B (2018) PlantFAdb: a resource for exploring hundreds of plant fatty acid structures synthesized by thousands of plants and their phylogenetic relationships. Plant J 96:1299–1308 Pelaz S, Ditta GS, Baumann E, Wisman E, Yanofsky MF (2000) B and C floral organ identity functions require SEPALLATA MADS-box genes. Nature 405:200–203 Reynolds KB, Taylor MC, Zhou X-R, Vanhercke T, Wood CC, Blanchard CL, Singh SP, Petrie JR (2015) Metabolic engineering of medium-chain fatty acid biosynthesis in Nicotiana benthamiana plant leaf lipids. Front Plant Sci 6 Schoenfeld P, Wojtczak L (2016) Short- and medium-chain fatty acids in energy metabolism: the cellular perspective. J Lipid Res 57:943–954 Shcherbakova K, Schwarz A, Apryatin S, Karpenko M, Trofimov A (2022) Supplementation of regular diet with medium-chain triglycerides for procognitive effects: a narrative review. Front Nutr 9:934497 Singh R, Ong-Abdullah M, Low E-TL, Manaf MAA, Rosli R, Nookiah R, Ooi LC-L, Ooi S-E, Chan K-L, Halim MA, Azizi N, Nagappan J, Bacher B, Lakey N, Smith SW, He D, Hogan M, Budiman MA, Lee EK, DeSalle R, Kudrna D, Goicoechea JL, Wing RA, Wilson RK, Fulton RS, Ordway JM, Martienssen RA, Sambanthamurthi R (2013) Oil palm genome sequence reveals divergence of interfertile species in Old and New Worlds. Nature 500:335 Smaczniak C, Immink RG, Angenent GC, Kaufmann K (2012) Developmental and evolutionary diversity of plant MADS-domain factors: insights from recent studies. Development 139:3081–3098 Sun R, Ye R, Gao L, Zhang L, Wang R, Mao T, Zheng Y, Li D, Lin Y (2017) Characterization and ectopic expression of CoWRI1, an AP2/EREBP domain-containing transcription factor from coconut (Cocos nucifera L.) endosperm, changes the seeds oil content in transgenic Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa L.). Front Plant Sci 8:63 Tan H, Zhang J, Qi X, Shi X, Zhou J, Wang X, Xiang X (2019) Correlation analysis of the transcriptome and metabolome reveals the regulatory network for lipid synthesis in developing Brassica napus embryos. Plant Mol Biol 99:31–44 Tjellstroem H, Strawsine M, Silva J, Cahoon EB, Ohlrogge JB (2013) Disruption of plastid acyl:acyl carrier protein synthetases increases medium chain fatty acid accumulation in seeds of transgenic Arabidopsis. FEBS Lett 587:936–942 Tranbarger TJ, Dussert S, Joet T, Argout X, Summo M, Champion A, Cros D, Omore A, Nouy B, Morcillo F (2011) Regulatory mechanisms underlying oil palm fruit mesocarp maturation, ripening, and functional specialization in lipid and carotenoid metabolism. Plant Physiol 156:564–584 Voelker T, Kinney AJ (2001) Variations in the biosynthesis of seed-storage lipids. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 52:335–361 Wang Y, Zou J, Zhao J, Zheng Y, Li D (2021) EgmiR5179 regulates lipid metabolism by targeting EgMADS16 in the mesocarp of oil palm (Elaeis guineensis). Front Plant Sci 12:722596 Xu Y, Liu J, Jia C, Hu W, Song S, Xu B, Jin Z (2021) Overexpression of a banana aquaporin gene MaPIP1;1 enhances tolerance to multiple abiotic stresses in transgenic banana and analysis of its interacting transcription factors. Front Plant Sci 12:699230 Yuan Y, Liang Y, Li B, Zheng Y, Luo X, Li D (2015) Cloning and function characterization of a beta-Ketoacyl-acyl-ACP synthase I from coconut (Cocos nucifera L.) endosperm. Plant Mol Biol Report 33:1131–1140 Yuan Y, Gao L, Sun R, Yu T, Liang Y, Li D, Zheng Y (2017) Seed-specific expression of an acyl-acyl carrier protein thioesterase CnFatB3 from coconut (Cocos nucifera L.) increases the accumulation of medium-chain fatty acids in transgenic Arabidopsis seeds. Sci Hortic 223:5–9 Zhang Q, Jin YH, Zou JX, Zheng YS, Li DD (2022) Characterization and functional analysis of the MADS-box EgAGL9 transcription factor from the mesocarp of oil palm (Elaeis guineensis Jacq.). Plant Sci 321:111317 Zheng Y, Chen L, Zhu Z, Li D, Zhou P (2020) Multigene engineering of medium-chain fatty acid biosynthesis in transgenic Arabidopsis thaliana by a Cre/LoxP multigene expression system. 3 Biotech 10:340 Zhou Y, Huang X, Hao Y, Cai G, Shi X, Li R, Wang J (2022) Cloning and functional characterization of a lysophosphatidic acid acyltransferase gene from Perilla frutescens. Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao 38:3014–3028 Zou J, Zhang Q, Zhu Z, Gao L, Zheng Y, Li D (2019) Embryogenic callus induction and fatty acid composition analysis of oil palm (Elaeis guineensis cv. Tenera). Sci Hortic 245:125–130