تولید کارآمد کروسین‌های زعفران و پیکروکروسین در نیکوتیانا بنتامیانا با استفاده از یک سیستم مبتنی بر ویروس

کروسین‌ها و پیکروکروسین‌ها آپوکلاژن‌های گلیکوزیله‌ای هستند که به ترتیب مسئول رنگ و طعم منحصر به فرد ادویه زعفران هستند که به دلیل قیمت بالای خود به طلاي قرمز معروف است. چندین مطالعه همچنین خواص سلامتی‌زا این ترکیبات را نشان داده‌اند. با این حال، هزینه‌های بالا مانع از استفاده گسترده از این متابولیت‌ها در بخش داروسازی می‌شود. ما یک سیستم ویروسی توسعه داده‌ایم تا مقادیر قابل توجهی از کروسین‌ها و پیکروکروسین‌ها را در گیاهان بالغ نیکوتیانا بنتامیانا تنها در عرض دو هفته تولید کنیم. این سیستم شامل کلون‌های ویروسی مشتق از پوتی‌ویروس اتچ تنباکو است که آنزیم‌های خاص جداسازی کاروتنوئید (CCD) را از کروکوس ساتیواس و بادولیا دیویدئی بیان می‌کند.

تجزیه و تحلیل‌های متابولیکی بافت‌های آلوده نشان داد که بیان تنها ویروسی CsCCD2L از C. sativus یا BdCCD4.1 از B. davidii به تولید کروسین‌ها، پیکروکروسین و سافرنال منجر می‌شود.با استفاده از ویروس نوترکیب که CsCCD2L را بیان می‌کرد، تجمع ۰.۲٪ از کروسین‌ها و ۰.۸٪ از پیکروکروسین‌ها در وزن خشک برگ تنها در دو هفته به دست آمد. در تلاشی برای بهبود محتوای آپوکاراتنوئید در N. benthamiana، هم‌بیانی CsCCD2L با سایر آنزیم‌های تولیدکننده کاروتنوئید، مانند سنتاز فیتوئنه Pantoea ananatis (PaCrtB) و هیدروکسیلاز بتا-کاروتن زعفران ۲ (BCH2)، با استفاده از همان سیستم ویروسی انجام شد. این رویکرد ترکیبی منجر به افزایش اضافی کروسین تا ۰.۳۵٪ در برگ‌هایی شد که CsCCD2L و PaCrtB هم‌بیانی شده بودند.

با توجه به اینکه آپوکاراتنوئیدهای زعفران هزینه‌بر هستند و تنها یک بار در سال از کلاله گل برداشت می‌شوند و اینکه گل‌های Buddleja spp. مقادیر کمتری را جمع‌آوری می‌کنند، این سیستم می‌تواند گزینه‌ای جذاب برای تولید پایدار این متابولیت‌های مورد تقدیر باشد.

“Crocins and picrocrocin are glycosylated apocarotenoids responsible, respectively, for the color and the unique
taste of the saffron spice, known as red gold due to its high price. Several studies have also shown the health promoting properties of these compounds. However, their high costs hamper the wide use of these metabo lites in the pharmaceutical sector. We have developed a virus-driven system to produce remarkable amounts of
crocins and picrocrocin in adult Nicotiana benthamiana plants in only two weeks. The system consists of viral
clones derived from tobacco etch potyvirus that express specific carotenoid cleavage dioxygenase (CCD) enzymes
from Crocus sativus and Buddleja davidii. Metabolic analyses of infected tissues demonstrated that the sole virus driven expression of C. sativus CsCCD2L or B. davidii BdCCD4.1 resulted in the production of crocins, picrocrocin
and safranal. Using the recombinant virus that expressed CsCCD2L, accumulations of 0.2% of crocins and 0.8% of
picrocrocin in leaf dry weight were reached in only two weeks. In an attempt to improve apocarotenoid content
in N. benthamiana, co-expression of CsCCD2L with other carotenogenic enzymes, such as Pantoea ananatis
phytoene synthase (PaCrtB) and saffron β-carotene hydroxylase 2 (BCH2), was performed using the same viral
system. This combinatorial approach led to an additional crocin increase up to 0.35% in leaves in which
CsCCD2L and PaCrtB were co-expressed. Considering that saffron apocarotenoids are costly harvested from
flower stigma once a year, and that Buddleja spp. flowers accumulate lower amounts, this system may be an
attractive alternative for the sustainable production of these appreciated metabolites. “