Precursor-Dependent Routing of Aromatic Amino Acids Determines Lignin Structure in Grasses by Sensitivity-Enhanced Solid-State NMR

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作者
Priya Sahu,Debkumar Debnath,Peng Xiao,Shubha S. Gunaga,Faith J. Scott,Max Bentelspacher,Yifan Xu,Frederic Mentink-Vigier,Jaime Barros-Rios,Tuo Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c02462
摘要

Lignin biosynthesis in grasses exhibits unique metabolic flexibility, yet the precursor-specific routing of carbon into lignin polymers remains poorly resolved in planta. Here, we combine 13C-isotope labeling with solid-state NMR under sensitivity-enhancement by dynamic nuclear polarization (DNP), to directly track phenylalanine- and tyrosine-derived carbon incorporation into the lignin polymer in Brachypodium distachyon. Precursor-specific 13C labeling reveals that phenylalanine is the dominant contributor to canonical guaiacyl and syringyl lignins, whereas tyrosine preferentially enriches hydroxyphenyl lignin and hydroxycinnamates, including ferulates characteristic of grass cell walls. Two-dimensional 13C-13C correlation NMR resolves distinct lignin moieties arising from each precursor. Disruption of p-coumarate 3-hydroxylase (C3H) selectively impairs phenylalanine-derived lignification, while tyrosine-derived lignin remains comparatively unchanged, maintaining polymer assembly through alternative metabolic routes. These findings show precursor-dependent control of lignin composition and reveal tyrosine-mediated lignification as a compensatory pathway in grasses. This work also establishes precursor-resolved solid-state NMR and DNP as a powerful framework for dissecting lignin biosynthesis and metabolic plasticity in plant cell walls.
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