مهندسی متابولیک بیوسنتز کروسین در گونه‌های نیکوتیانا

کروسین‌ها رنگدانه‌های محلول با ارزش بالایی هستند که به عنوان رنگ‌دهنده و مکمل استفاده می‌شوند، حضور آنها در طبیعت بسیار محدود است و در نتیجه، هزینه بالای این متابولیت‌ها مانع از استفاده آنها توسط سایر بخش‌ها، مانند صنایع داروسازی و آرایشی می‌شود. دی‌اکسیژناز برش کاروتنوئید 2L (CsCCD2L) آنزیم کلیدی در مسیر بیوسنتز کروسین‌ها در زعفران است. در این مطالعه، CsCCD2L برای تولید کروسین‌ها به Nicotiana tabacum و Nicotiana glauca وارد شد. علاوه بر این، یک ساختار کایمریک حاوی b-کاروتن هیدروکسیلاز Brevundimonas sp. (BrCrtZ)، ژن جهش‌یافته Arabidopsis thaliana ORANGE (AtOrMut) و CsCCD2L نیز به N. tabacum وارد شد. مطالعات کمی و کیفی روی کاروتنوئیدها و آپوکاروتنوئیدها در گیاهان تراریخته که CsCCD2L را به تنهایی بیان می‌کنند، تجمع سطح کروسین بالاتری را در گیاهان تراریخته N. glauca نشان داد که تقریباً به 400 میلی‌گرم بر گرم وزن خشک در برگ‌ها رسید، در حالی که در N. tabacum 36 میلی‌گرم بر گرم وزن خشک به دست آمد. در مقابل، گیاهان N. tabacum که همزمان CsCCD2L، BrCrtZ و AtOrMut را بیان می‌کنند، 3.5 برابر بیشتر از گیاهان N. tabacum که فقط CsCCD2L را بیان می‌کنند، تجمع یافتند. کروسین‌های دارای سه و چهار مولکول قند، گونه‌های مولکولی اصلی در هر دو سیستم میزبان بودند. نتایج ما نشان می‌دهد که تولید آپوکاروتنوئیدهای زعفران در گونه‌های مهندسی‌شده نیکوتینا امکان‌پذیر است و مبنایی را برای توسعه استراتژی‌هایی ایجاد می‌کند که در نهایت ممکن است منجر به بهره‌برداری تجاری از این رنگدانه‌های ارزشمند برای کاربردهای متعدد شود.

Crocins are high-value soluble pigments that are used as colorants and supplements, their presence in nature is extremely limited and, consequently, the high cost of these metabolites hinders their use by other sectors, such as the pharmaceutical and cosmetic industries. The carotenoid cleavage dioxygenase 2L (CsCCD2L) is the key enzyme in the biosynthetic pathway of crocins in Crocus sativus. In this study, CsCCD2L was introduced into Nicotiana tabacum and Nicotiana glauca for the production of crocins. In addition, a chimeric construct containing the Brevundimonas sp. b-carotene hydroxylase (BrCrtZ), the Arabidopsis thaliana ORANGE mutant gene (AtOrMut), and CsCCD2L was also introduced into N. tabacum. Quantitative and qualitative studies on carotenoids and apocarotenoids in the transgenic plants expressing CsCCD2L alone showed higher crocin level accumulation in N. glauca transgenic plants, reaching almost 400 mg/g DW in leaves, while in N. tabacum 36 mg/g DW was obtained. In contrast, N. tabacum plants coexpressing CsCCD2L, BrCrtZ, and AtOrMut accumulated, 3.5-fold compared to N. tabacum plants only expressing CsCCD2L. Crocins with three and four sugar molecules were the main molecular species in both host systems. Our results demonstrate that the production of saffron apocarotenoids is feasible in engineered Nicotiana species and establishes a basis for the development of strategies that may ultimately lead to the commercial exploitation of these valuable pigments for multiple applications