گونه Verbascum به عنوان منبع جدیدی از آپوکاروتنوئیدهای زعفران و ابزار مولکولی برای تولید بیوتکنولوژیک کروسین و پیروکروسین

کروسین ها آپوکاروتنوئیدهای گلوکوزیله ای هستند که در گل ها و میوه های چند گونه گیاهی از جمله زعفران، گاردنیا و بودلجا وجود دارند. بیوسنتز کروسین ها در این گیاهان کشف شده است و آنزیم ها برای تولید کروسین در سیستم های هترولوگ مهندسی شده اند. Mullein (Verbascum sp.) به عنوان منبع جدیدی از کروسین و پیروکروسین شناسایی شده است. در این کار، ما هشت آنزیم درگیر در برش کاروتنوئیدها در دو گونه Verbascum، V. giganteum و V. sinuatum را شناسایی کرده‌ایم. چهار نفر از آنها همولوگ با BdCCD4.1 و BdCCD4.3 قبلاً شناسایی شده از Buddleja بودند که در بیوسنتز کروسین ها نقش داشتند. این آنزیم ها برای فعالیت آپوکاروتنوژنیک در باکتری ها و گیاهان Nicotiana benthamiana با استفاده از یک سیستم مبتنی بر ویروس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

تجزیه و تحلیل متابولیک عصاره های باکتریایی و برگ های N. benthamiana فعالیت کارآمد این آنزیم ها را برای تولید کروسین با استفاده از β-کاروتن و زآگزانتین به عنوان سوبسترا نشان داد. تجمع 0.17 درصد کروسین در برگ های خشک N. benthamiana تنها در 2 هفته با استفاده از یک ویروس نوترکیب بیان کننده VgCCD4.1، مشابه مقادیری که قبلاً با استفاده از زعفران متعارف CsCCD2L تولید شده بود، به دست آمد. شناسایی این آنزیم‌ها، که طیف وسیعی از بستر را نشان می‌دهند، راه‌های جدیدی را برای تولید بیوتکنولوژیک آپوکاروتنوئید باز می‌کند.

Crocins are glucosylated apocarotenoids present in flowers and fruits of a few plant species, including saffron, gardenia, and Buddleja. The biosynthesis of crocins in these plants has been unraveled, and the enzymes engineered for the production of crocins in heterologous systems. Mullein (Verbascum sp.) has been identified as a new source of crocins and picrocrocin. In this work, we have identified eight enzymes involved in the cleavage of carotenoids in two Verbascum species, V. giganteum and V. sinuatum. Four of them were homologous to the previously identified BdCCD4.1 and BdCCD4.3 from Buddleja, involved in the biosynthesis of crocins.

These enzymes were analyzed for apocarotenogenic activity in bacteria and Nicotiana benthamiana plants using a virus-driven system. Metabolic analyses of bacterial extracts and N. benthamiana leaves showed the efficient activity of these enzymes to produce crocins using β-carotene and zeaxanthin as substrates. Accumulations of 0.17% of crocins in N. benthamiana dry leaves were reached in only 2 weeks using a recombinant virus expressing VgCCD4.1, similar to the amounts previously produced using the canonical saffron CsCCD2L. The identification of these enzymes, which display a particularly broad substrate spectrum, opens new avenues for apocarotenoid biotechnological production.