Phytyl ester and triacylglycerol synthesis in plants, green algae and cyanobacteria
Final Report Abstract
Chlorophyll, das aus einem Porphyrinring und einer Phytolseitenkette besteht, ist das wichtigste photosynthetische Pigment in Chloroplasten von Pflanzen. In der vorliegenden Studie analysierten wir den Metabolismus von Phytol während des Chlorophyll-Abbaus. Phytol wird mit Fettsäuren verestert, katalysiert durch Acyltransferasen der Familie der Esterase/Lipase/Thioesterase (ELT). Arabidopsis enthält 6 ELT-Gene, von denen zwei (PES1, PES2) zuvor in unserer Gruppe als Fettsäure-Phytyl-Synthasen identifiziert wurden, die an der Umwandlung von freiem Phytol in seine "Speicherform", Phytylester, beteiligt sind. Zur Charakterisierung der Substratspezifität wurde PES2 in Hefe und E. coli exprimiert und ein in vitro-Assay mit verschiedenen Acyl-Donatoren und Akzeptoren durchgeführt. Ein Q-TOF-Massenspektrometrie-Assay wurde zur Messung der Produkte etabliert, aber die Aktivität des rekombinanten Proteins war zu gering. In einer Zusammenarbeit mit Sten Stymne (Alnarp, Schweden) haben wir gezeigt, dass PES2 funktionell in Nicotiana benthamiana Blätter exprimiert werden kann. PES2, das im Chloroplasten lokalisiert ist und mit einer Acyl-CoA-Reduktase (FAR) co-exprimiert wurde, produzierte mittelkettige Ester mit 1-Hexadecanol in N. benthamiana. Regina Wehler, die an diesem Projekt arbeitet, zeigte, dass PES2 in Abwesenheit von FAR Phytylester in N. benthamiana, aber nicht Sterolester oder Triacylgycerol produzierte, was darauf hindeutet, dass PES2 keine Sterole oder Diacylglycerol acyliert. Sie entdeckte eine neuartige Chloroplasten-Lipid-Klasse, Diester von mittelkettigen Fettsäuren mit 1,6-Hexadecandiol in N. benthamiana, nach Expression von PES2. Diese Wachsdiester sind auf die Blatt- oder Wurzeloberfläche beschränkt und wurden bisher nicht in Chloroplasten gefunden. Daher haben Chloroplasten alle Enzyme für die Wachsdiester-Produktion, eine FAR (Arabidopsis enthält zwei Chloroplasten-FARs, FAR2, FAR6), eine unbekannte P450-Acylhydroxylase, die die C6-Hydroxylgruppe einführt, und Fettsäurephytyl-Ester-Synthasen (PES2). Im Jahr 2014 identifizierte Hiroshi Ezuras Gruppe (Tsukuba University, Japan) eine Xanthophyll-Ester-Synthase, PYP1, in Tomate, die an der Herstellung von Violaxanthin- und Neoxanthin-Estern mit 14: 0 und 16: 0 in Tomatenblütenblättern beteiligt ist. Wir arbeiten mit Hiroshi Ezura zusammen und analysierten, ob PYP1 an der Phytylester-Synthese in Tomate beteiligt ist und ob PES2 an der Xanthophyll-Eester-Synthese in Arabidopsis beteiligt ist. Blütenblätter von pyp1 zeigten verminderte Gehalte an 14: 0-Phytol und 16: 0-Phytol, was darauf hinweist, dass PYP1 an der Xanthophyll-Ester- und Phytyl-Ester-Synthese in Tomaten beteiligt ist. Da Arabidopsis weiße Blütenblätter hat, aber auch in Blättern waren keine Xanthophyllester nachweisbar. Blüten von einer anderen Brassicaceae-Art, Camelina haben gelbe Blütenblätter, aber auch dort fanden wir keine Xanthophyll-Eester. Daher scheint die Xanthophyllester-Synthese auf bestimmte Pflanzenfamilien beschränkt zu sein.
Publications
- (2014) Wax ester accumulation in Nicotiana benthamiana leaf chloroplasts by expression of fatty acyl reductases and wax ester synthases. Metabol. Engineer. 25, 103-112
Aslan S., Sun C., Leonova S., Dutta P., Dörmann P., Domergue F., Stymne S. and Hofvander P.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ymben.2014.07.001)
