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Debottlenecking the L-DOPA 4,5-dioxygenase step with enhanced tyrosine supply boosts betalain production in Nicotiana benthamiana

烟草 倍他林 酪氨酸 生物 生物化学 化学 植物 颜料 有机化学 基因
作者
Soyoung Jung,Hiroshi Maéda
出处
期刊:Plant Physiology [Oxford University Press]
卷期号:195 (3): 2456-2471 被引量:21
标识
DOI:10.1093/plphys/kiae166
摘要

Synthetic biology provides emerging tools to produce valuable compounds in plant hosts as sustainable chemical production platforms. However, little is known about how supply and utilization of precursors is coordinated at the interface of plant primary and specialized metabolism, limiting our ability to efficiently produce high levels of target specialized metabolites in plants. L-Tyrosine is an aromatic amino acid precursor of diverse plant natural products including betalain pigments, which are used as the major natural food red colorants and more recently a visual marker for plant transformation. Here, we studied the impact of enhanced L-tyrosine supply on the production of betalain pigments by expressing arogenate dehydrogenase (TyrA) from table beet (Beta vulgaris, BvTyrAα), which has relaxed feedback inhibition by L-tyrosine. Unexpectedly, betalain levels were reduced when BvTyrAα was coexpressed with the betalain pathway genes in Nicotiana benthamiana leaves; L-tyrosine and 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (L-DOPA) levels were drastically elevated but not efficiently converted to betalains. An additional expression of L-DOPA 4,5-dioxygenase (DODA), but not CYP76AD1 or cyclo-DOPA 5-O-glucosyltransferase, together with BvTyrAα and the betalain pathway, drastically enhanced betalain production, indicating that DODA is a major rate-limiting step of betalain biosynthesis in this system. Learning from this initial test and further debottlenecking the DODA step maximized betalain yield to an equivalent or higher level than that in table beet. Our data suggest that balancing between enhanced supply ("push") and effective utilization ("pull") of precursor by alleviating a bottleneck step is critical in successful plant synthetic biology to produce high levels of target compounds.
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