アスパラギン酸キナーゼとジヒドロジピコリン酸塩シンターゼのフィードバック阻害を調節することによるイネのリジン生物酸化

リジンは、米の種子の主要な制限的なアミノ酸（EAA）であり、人間と家畜の主要なエネルギーと栄養源です。高等植物では、リジン生合成経路の速度制限ステップは、2つの重要な酵素、アスパラギン酸キナーゼ（AK）とジヒドロジピコリン酸シンターゼ（DHDP）によって触媒され、両方がリジンによるフィードバック阻害に非常に敏感です。この研究では、2つのイネAK変異体（AK1およびAK2）と5つのDHDPS変異体（DHDPS1-DHDPS5）、すべての単一アミノ酸置換が構築されました。それらのタンパク質配列は、アレルギーシーケンスベースの相同性のアライメントを渡しました。変異タンパク質は大腸菌で組換え的に発現し、すべては12 mmの濃度でリジン類似体S-（2-アミノエチル）-l-シュタイン（AEC）に鈍感でした。AKおよびDHDPS変異体は米に変換され、遊離リジンはトランスジェニック植物の成熟した種子、特にAK2またはDHDPS1を発現する植物の成熟した種子で、それぞれ野生型（WT）イネよりも6.6倍、21.7倍高く上昇しました。次に、修正されたAK2とDHDPS1を同時に発現させ、イネLKR/SDH（リジンケトグルタル酸還元酵素/サッコルピンデヒドロピンデヒドロゲナーゼ）を阻害することにより、35A2D1L植物を操作しました。2つの35A2D1Lトランスジェニック株の遊離リジンレベルは、それぞれ58.5倍、39.2倍高く、それぞれネイティブAKおよびDHDPを含むトランスジェニックイネよりも39.2倍高かった。総遊離アミノ酸と総タンパク質含有量も、35A2D1Lトランスジェニックイネで上昇しました。さらに、農業性能分析は、トランスジェニック系統が通常の植物の成長、発達、種子の外観をWT植物に匹敵することを示したことを示しました。したがって、AKおよびDHDPS変異体は、米や他の穀物の栄養品質を改善するために使用される場合があります。

Lysine is the main limiting essential amino acid (EAA) in the rice seeds, which is a major energy and nutrition source for humans and livestock. In higher plants, the rate-limiting steps in lysine biosynthesis pathway are catalysed by two key enzymes, aspartate kinase (AK) and dihydrodipicolinate synthase (DHDPS), and both are extremely sensitive to feedback inhibition by lysine. In this study, two rice AK mutants (AK1 and AK2) and five DHDPS mutants (DHDPS1-DHDPS5), all single amino acid substitution, were constructed. Their protein sequences passed an allergic sequence-based homology alignment. Mutant proteins were recombinantly expressed in Escherichia coli, and all were insensitive to the lysine analog S-(2-aminoethyl)-l-cysteine (AEC) at concentrations up to 12 mm. The AK and DHDPS mutants were transformed into rice, and free lysine was elevated in mature seeds of transgenic plants, especially those expressing AK2 or DHDPS1, 6.6-fold and 21.7-fold higher than the wild-type (WT) rice, respectively. We then engineered 35A2D1L plants by simultaneously expressing modified AK2 and DHDPS1, and inhibiting rice LKR/SDH (lysine ketoglutaric acid reductase/saccharopine dehydropine dehydrogenase). Free lysine levels in two 35A2D1L transgenic lines were 58.5-fold and 39.2-fold higher than in WT and transgenic rice containing native AK and DHDPS, respectively. Total free amino acid and total protein content were also elevated in 35A2D1L transgenic rice. Additionally, agronomic performance analysis indicated that transgenic lines exhibited normal plant growth, development and seed appearance comparable to WT plants. Thus, AK and DHDPS mutants may be used to improve the nutritional quality of rice and other cereal grains.