Published August 18, 2022 | Version v1
Publication Open

Metabolic engineering to enhance the accumulation of bioactive flavonoids licochalcone A and echinatin in Glycyrrhiza inflata (Licorice) hairy roots

Creators

  • 1. South China Botanical Garden
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences
  • 3. University of Kentucky

Description

Echinatin and licochalcone A (LCA) are valuable chalcones preferentially accumulated in roots and rhizomes of licorice (Glycyrrhiza inflata). The licorice chalcones (licochalcones) are valued for their anti-inflammatory, antimicrobial, and antioxidant properties and have been widely used in cosmetic, pharmaceutical, and food industries. However, echinatin and LCA are accumulated in low quantities, and the biosynthesis and regulation of licochalcones have not been fully elucidated. In this study, we explored the potential of a R2R3-MYB transcription factor (TF) AtMYB12, a known regulator of flavonoid biosynthesis in Arabidopsis, for metabolic engineering of the bioactive flavonoids in G. inflata hairy roots. Overexpression of AtMYB12 in the hairy roots greatly enhanced the production of total flavonoids (threefold), echinatin (twofold), and LCA (fivefold). RNA-seq analysis of AtMYB12-overexpressing hairy roots revealed that expression of phenylpropanoid/flavonoid pathway genes, such as phenylalanine ammonia-lyase (PAL), chalcone synthase (CHS), and flavanone 3'-hydroxylase (F3'H), is significantly induced compared to the control. Transient promoter activity assay indicated that AtMYB12 activates the GiCHS1 promoter in plant cells, and mutation to the MYB-binding motif in the GiCHS1 promoter abolished activation. In addition, transcriptomic analysis revealed that AtMYB12 overexpression reprograms carbohydrate metabolism likely to increase carbon flux into flavonoid biosynthesis. Further, AtMYB12 activated the biotic defense pathways possibly by activating the salicylic acid and jasmonic acid signaling, as well as by upregulating WRKY TFs. The transcriptome of AtMYB12-overexpressing hairy roots serves as a valuable source in the identification of potential candidate genes involved in LCA biosynthesis. Taken together, our findings suggest that AtMYB12 is an effective gene for metabolic engineering of valuable bioactive flavonoids in plants.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

Echinatin وLicochalcone A (LCA) هي تشالكون قيمة متراكمة بشكل تفضيلي في جذور وجذور عرق السوس (Glycyrrhiza inflata). يتم تقييم كركديه عرق السوس (الكركديه) لخصائصها المضادة للالتهابات ومضادات الميكروبات ومضادات الأكسدة، وقد استخدمت على نطاق واسع في الصناعات التجميلية والصيدلانية والغذائية. ومع ذلك، يتراكم الإشناتين وLCA بكميات منخفضة، ولم يتم توضيح التركيب الحيوي وتنظيم الليكوكالكون بشكل كامل. في هذه الدراسة، استكشفنا إمكانات عامل النسخ R2R3 - MYB (TF) AtMYB12، وهو منظم معروف للتخليق الحيوي للفلافونويد في Arabidopsis، للهندسة الأيضية للفلافونويدات النشطة بيولوجيًا في جذور G. inflata المشعرة. أدى التعبير المفرط عن AtMYB12 في الجذور المشعرة إلى زيادة كبيرة في إنتاج مركبات الفلافونويد الكلية (ثلاثة أضعاف)، والإيكينات (شقين)، و LCA (خمسة أضعاف). كشف تحليل تسلسل الحمض النووي الريبي لجذور AtMYB12 - المفرطة في التعبير عن الجذور المشعرة أن التعبير عن جينات مسار الفينيل بروبانويد/الفلافونويد، مثل فينيل ألانين الأمونيا- لياز (PAL)، سينثاز الكالكون (CHS)، وفلافانون 3'- هيدروكسيلاز (F3 'H)، يتم حثه بشكل كبير مقارنة بالتحكم. أشار اختبار نشاط المعزز العابر إلى أن AtMYB12 ينشط معزز GiCHS1 في الخلايا النباتية، وأن الطفرة في عزر ربط MYB في معزز GiCHS1 ألغت التنشيط. بالإضافة إلى ذلك، كشف التحليل النصي أن AtMYB12 يعيد برمجة استقلاب الكربوهيدرات الذي من المحتمل أن يزيد من تدفق الكربون في التخليق الحيوي للفلافونويد. علاوة على ذلك، قام AtMYB12 بتنشيط مسارات الدفاع الحيوي ربما عن طريق تنشيط إشارات حمض الساليسيليك وحمض الياسمونيك، وكذلك عن طريق زيادة تنظيم WRKY TFs. يعمل ترانسكريبتوم AtMYB12 -الذي يفرط في التعبير عن الجذور المشعرة كمصدر قيم في تحديد الجينات المرشحة المحتملة المشاركة في التخليق الحيوي لـ LCA. تشير نتائجنا مجتمعة إلى أن AtMYB12 هو جين فعال للهندسة الأيضية للفلافونويدات النشطة بيولوجيًا القيمة في النباتات.

Translated Description (French)

L'échinatine et la licochalcone A (LCA) sont des chalcones précieuses accumulées préférentiellement dans les racines et les rhizomes de réglisse (Glycyrrhiza inflata). Les calcones de réglisse (licochalcones) sont appréciées pour leurs propriétés anti-inflammatoires, antimicrobiennes et antioxydantes et ont été largement utilisées dans les industries cosmétique, pharmaceutique et alimentaire. Cependant, l'échinatine et l'ACV sont accumulées en faibles quantités, et la biosynthèse et la régulation des licochalcones n'ont pas été entièrement élucidées. Dans cette étude, nous avons exploré le potentiel d'un facteur de transcription (TF) R2R3-MYB AtMYB12, un régulateur connu de la biosynthèse des flavonoïdes chez Arabidopsis, pour l'ingénierie métabolique des flavonoïdes bioactifs dans les racines velues de G. inflata. La surexpression d'AtMYB12 dans les racines velues a considérablement augmenté la production de flavonoïdes totaux (trois fois), d'échinatine (deux fois) et d'ACV (cinq fois). L'analyse ARN-seq des racines chevelues surexprimant AtMYB12 a révélé que l'expression des gènes de la voie des phénylpropanoïdes/flavonoïdes, tels que la phénylalanine ammonia-lyase (PAL), la chalcone synthase (CHS) et la flavanone 3'-hydroxylase (F3'H), est induite de manière significative par rapport au témoin. Le test d'activité du promoteur transitoire a indiqué que AtMYB12 active le promoteur GiCHS1 dans les cellules végétales, et la mutation du motif de liaison à MYB dans le promoteur GiCHS1 a aboli l'activation. De plus, l'analyse transcriptomique a révélé que la surexpression d'AtMYB12 reprogramme le métabolisme des glucides susceptible d'augmenter le flux de carbone dans la biosynthèse des flavonoïdes. En outre, AtMYB12 a activé les voies de défense biotiques éventuellement en activant la signalisation de l'acide salicylique et de l'acide jasmonique, ainsi qu'en régulant à la hausse les TF WRKY. Le transcriptome des racines chevelues surexprimant AtMYB12 sert de source précieuse dans l'identification des gènes candidats potentiels impliqués dans la biosynthèse de l'ACV. Pris ensemble, nos résultats suggèrent que AtMYB12 est un gène efficace pour l'ingénierie métabolique des flavonoïdes bioactifs précieux chez les plantes.

Translated Description (Spanish)

La equinatina y la licocalcona A (LCA) son valiosas chalconas acumuladas preferentemente en raíces y rizomas de regaliz (Glycyrrhiza inflata). Las chalconas de regaliz (licocalconas) son valoradas por sus propiedades antiinflamatorias, antimicrobianas y antioxidantes y se han utilizado ampliamente en las industrias cosmética, farmacéutica y alimentaria. Sin embargo, la equinatina y el LCA se acumulan en bajas cantidades, y la biosíntesis y la regulación de las licocalconas no se han dilucidado completamente. En este estudio, exploramos el potencial de un factor de transcripción R2R3-MYB (TF) AtMYB12, un conocido regulador de la biosíntesis de flavonoides en Arabidopsis, para la ingeniería metabólica de los flavonoides bioactivos en las raíces pilosas de G. inflata. La sobreexpresión de AtMYB12 en las raíces pilosas aumentó en gran medida la producción de flavonoides totales (tres veces), equinatina (dos veces) y LCA (cinco veces). El análisis de ARN-seq de las raíces pilosas que sobreexpresan AtMYB12 reveló que la expresión de los genes de la vía fenilpropanoide/flavonoide, como la fenilalanina amoníaco-liasa (PAL), la chalcona sintasa (CHS) y la flavanona 3'-hidroxilasa (F3'H), se induce significativamente en comparación con el control. El ensayo de actividad del promotor transitorio indicó que AtMYB12 activa el promotor GiCHS1 en células vegetales, y la mutación al motivo de unión a MYB en el promotor GiCHS1 anuló la activación. Además, el análisis transcriptómico reveló que la sobreexpresión de AtMYB12 reprograma el metabolismo de los carbohidratos que probablemente aumente el flujo de carbono en la biosíntesis de flavonoides. Además, AtMYB12 activó las vías de defensa bióticas posiblemente mediante la activación de la señalización del ácido salicílico y el ácido jasmónico, así como mediante la regulación positiva de los TF de WRKY. El transcriptoma de las raíces pilosas que sobreexpresan AtMYB12 sirve como una fuente valiosa en la identificación de posibles genes candidatos involucrados en la biosíntesis de LCA. En conjunto, nuestros hallazgos sugieren que AtMYB12 es un gen eficaz para la ingeniería metabólica de flavonoides bioactivos valiosos en las plantas.

Files

pdf.pdf

Files (1.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:08e05ee1009b059d9514f213a46c01d4
1.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الهندسة الأيضية لتعزيز تراكم مركبات الفلافونويد النشطة بيولوجيًا الليكو كالكون A والإيكيناتين في جذور عرق السوس المشعرة
Translated title (French)
Ingénierie métabolique pour améliorer l'accumulation de flavonoïdes bioactifs licochalcone A et échinatine dans les racines poilues de Glycyrrhiza inflata (réglisse)
Translated title (Spanish)
Ingeniería metabólica para potenciar la acumulación de flavonoides bioactivos licocalcona A y equinatina en raíces pilosas de Glycyrrhiza inflata (regaliz)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4292483074
DOI
10.3389/fpls.2022.932594

Is supplement to
https://openalex.org/W3216988192 (Other)
https://openalex.org/W3168310584 (Other)
https://openalex.org/W3129832778 (Other)
https://openalex.org/W2994337104 (Other)
https://openalex.org/W2597198238 (Other)
https://openalex.org/W2508524348 (Other)
https://openalex.org/W2185695338 (Other)
https://openalex.org/W2182440507 (Other)
https://openalex.org/W2094431595 (Other)
https://openalex.org/W2056808811 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1515226261
  • https://openalex.org/W1836238084
  • https://openalex.org/W1944597845
  • https://openalex.org/W1965514968
  • https://openalex.org/W2000479020
  • https://openalex.org/W2031308510
  • https://openalex.org/W2042040184
  • https://openalex.org/W2044280032
  • https://openalex.org/W2052562717
  • https://openalex.org/W2081516812
  • https://openalex.org/W2084530483
  • https://openalex.org/W2088103680
  • https://openalex.org/W2096198078
  • https://openalex.org/W2119946908
  • https://openalex.org/W2123607611
  • https://openalex.org/W2128812898
  • https://openalex.org/W2135735326
  • https://openalex.org/W2155569764
  • https://openalex.org/W2158856532
  • https://openalex.org/W2170551349
  • https://openalex.org/W2171030481
  • https://openalex.org/W2177458100
  • https://openalex.org/W2179438025
  • https://openalex.org/W2223752691
  • https://openalex.org/W2237501542
  • https://openalex.org/W2267159055
  • https://openalex.org/W2395535271
  • https://openalex.org/W2406250479
  • https://openalex.org/W2417413724
  • https://openalex.org/W2419639953
  • https://openalex.org/W2534942962
  • https://openalex.org/W2549560017
  • https://openalex.org/W2554465582
  • https://openalex.org/W2588052175
  • https://openalex.org/W2609019401
  • https://openalex.org/W2611887831
  • https://openalex.org/W2766638875
  • https://openalex.org/W2767209834
  • https://openalex.org/W2805662692
  • https://openalex.org/W2894745923
  • https://openalex.org/W2895137257
  • https://openalex.org/W2945433430
  • https://openalex.org/W2950911811
  • https://openalex.org/W2980746070
  • https://openalex.org/W2994337104
  • https://openalex.org/W3005626756
  • https://openalex.org/W3007088350
  • https://openalex.org/W3011782141
  • https://openalex.org/W3018225963
  • https://openalex.org/W3084076603
  • https://openalex.org/W3113346762
  • https://openalex.org/W3156166416
  • https://openalex.org/W3196063381
  • https://openalex.org/W3198399895
  • https://openalex.org/W4206361250