Rerouting plant terpene biosynthesis enables momilactone pathway elucidation

萜烯 生物合成 生物化学 化学 计算生物学 植物 生物 基因
作者
Ricardo De La Peña,Elizabeth S. Sattely
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (2): 205-212 被引量:107
标识
DOI:10.1038/s41589-020-00669-3
摘要

Momilactones from rice have allelopathic activity, the ability to inhibit growth of competing plants. Transferring momilactone production to other crops is a potential approach to combat weeds, yet a complete momilactone biosynthetic pathway remains elusive. Here, we address this challenge through rapid gene screening in Nicotiana benthamiana, a heterologous plant host. This required us to solve a central problem: diminishing intermediate and product yields remain a bottleneck for multistep diterpene pathways. We increased intermediate and product titers by rerouting diterpene biosynthesis from the chloroplast to the cytosolic, high-flux mevalonate pathway. This enabled the discovery and reconstitution of a complete route to momilactones (>10-fold yield improvement in production versus rice). Pure momilactone B isolated from N. benthamiana inhibited germination and root growth in Arabidopsis thaliana, validating allelopathic activity. We demonstrated the broad utility of this approach by applying it to forskolin, a Hedgehog inhibitor, and taxadiene, an intermediate in taxol biosynthesis (~10-fold improvement in production versus chloroplast expression). Redirecting plant diterpene biosynthesis from the chloroplast to the cytosolic, high-flux mevalonate pathway increases intermediate and product titers to support the elucidation and reconstitution of momilactone biosynthesis.
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