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Conart C, Bomzan DP, Huang XQ, Bassard JE, Paramita SN, Saint-Marcoux D, Rius-Bony A, Hivert G, Anchisi A, Schaller H, Hamama L, Magnard JL, Lipko A, Swiezewska E, Jame P, Riveill G, Hibrand-Saint Oyant L, Rohmer M, Lewinsohn E, Dudareva N, Baudino S, Caissard JC, Boachon B. A cytosolic bifunctional geranyl/farnesyl diphosphate synthase provides MVA-derived GPP for geraniol biosynthesis in rose flowers. Proc Natl Acad Sci U S A 2023; 120:e2221440120. [PMID: 37126706 PMCID: PMC10175749 DOI: 10.1073/pnas.2221440120] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/10/2023] [Accepted: 03/30/2023] [Indexed: 05/03/2023] Open
Abstract
Geraniol derived from essential oils of various plant species is widely used in the cosmetic and perfume industries. It is also an essential trait of the pleasant smell of rose flowers. In contrast to other monoterpenes which are produced in plastids via the methyl erythritol phosphate pathway, geraniol biosynthesis in roses relies on cytosolic NUDX1 hydrolase which dephosphorylates geranyl diphosphate (GPP). However, the metabolic origin of cytosolic GPP remains unknown. By feeding Rosa chinensis "Old Blush" flowers with pathway-specific precursors and inhibitors, combined with metabolic profiling and functional characterization of enzymes in vitro and in planta, we show that geraniol is synthesized through the cytosolic mevalonate (MVA) pathway by a bifunctional geranyl/farnesyl diphosphate synthase, RcG/FPPS1, producing both GPP and farnesyl diphosphate (FPP). The downregulation and overexpression of RcG/FPPS1 in rose petals affected not only geraniol and germacrene D emissions but also dihydro-β-ionol, the latter due to metabolic cross talk of RcG/FPPS1-dependent isoprenoid intermediates trafficking from the cytosol to plastids. Phylogenetic analysis together with functional characterization of G/FPPS orthologs revealed that the G/FPPS activity is conserved among Rosaceae species. Site-directed mutagenesis and molecular dynamic simulations enabled to identify two conserved amino acids that evolved from ancestral FPPSs and contribute to GPP/FPP product specificity. Overall, this study elucidates the origin of the cytosolic GPP for NUDX1-dependent geraniol production, provides insights into the emergence of the RcG/FPPS1 GPPS activity from the ancestral FPPSs, and shows that RcG/FPPS1 plays a key role in the biosynthesis of volatile terpenoid compounds in rose flowers.
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Affiliation(s)
- Corentin Conart
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Dikki Pedenla Bomzan
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Xing-Qi Huang
- Department of Biochemistry, Purdue University, West Lafayette, IN47907-2063
| | - Jean-Etienne Bassard
- Institut de Biologie Moléculaire des Plantes du Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Propre de Recherche 2357, Université de Strasbourg, Strasbourg67084, France
| | - Saretta N. Paramita
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Denis Saint-Marcoux
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Aurélie Rius-Bony
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Gal Hivert
- Department of Vegetable Crops, Newe Ya’ar Research Center, Agricultural Research organization, The Volcani Center, Ramat Yishay30095, Israel
- Department of Vegetable Crops, The Robert Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot76100001, Israel
| | - Anthony Anchisi
- Université de Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Claude Bernard Lyon 1, Institut des Sciences Analytiques, UMR 5280, VilleurbanneF-69100, France
| | - Hubert Schaller
- Institut de Biologie Moléculaire des Plantes du Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Propre de Recherche 2357, Université de Strasbourg, Strasbourg67084, France
| | - Latifa Hamama
- Université d'Angers, Institut Agro, Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement, Institut de Recherche en Horticulture et Semences, Structure Fédérative de Recherche Qualité et Santé du Végétal, Angers49000, France
| | - Jean-Louis Magnard
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Agata Lipko
- Nalecz Institute of Biocybernetics and Biomedical Engineering, Polish Academy of Sciences, Warsaw02-109Poland
| | - Ewa Swiezewska
- Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences, Warsaw02-106Poland
| | - Patrick Jame
- Université de Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Claude Bernard Lyon 1, Institut des Sciences Analytiques, UMR 5280, VilleurbanneF-69100, France
| | - Geneviève Riveill
- Université de Strasbourg, Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement, Unité Mixte de Recherche 1131 Santé de la Vigne et Qualité du Vin,F-68000Colmar, France
| | - Laurence Hibrand-Saint Oyant
- Université d'Angers, Institut Agro, Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement, Institut de Recherche en Horticulture et Semences, Structure Fédérative de Recherche Qualité et Santé du Végétal, Angers49000, France
| | - Michel Rohmer
- Institut de Chimie de Strasbourg, Université de Strasbourg/Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7177, Institut Le Bel, Strasbourg67081, France
| | - Efraim Lewinsohn
- Department of Vegetable Crops, Newe Ya’ar Research Center, Agricultural Research organization, The Volcani Center, Ramat Yishay30095, Israel
- Department of Vegetable Crops, The Robert Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot76100001, Israel
| | - Natalia Dudareva
- Department of Biochemistry, Purdue University, West Lafayette, IN47907-2063
- Purdue Center for Plant Biology, Purdue University, West Lafayette, IN47907
- Department of Horticulture and Landscape Architecture, Purdue University, West Lafayette, IN47907-2010
| | - Sylvie Baudino
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Jean-Claude Caissard
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
| | - Benoît Boachon
- Université Jean Monnet Saint-Etienne, Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Unité Mixte de Recherche 5079, Saint-EtienneF-42023, France
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Conart C, Saclier N, Foucher F, Goubert C, Rius-Bony A, Paramita SN, Moja S, Thouroude T, Douady C, Sun P, Nairaud B, Saint-Marcoux D, Bahut M, Jeauffre J, Hibrand Saint-Oyant L, Schuurink RC, Magnard JL, Boachon B, Dudareva N, Baudino S, Caissard JC. Duplication and specialization of NUDX1 in Rosaceae led to geraniol production in rose petals. Mol Biol Evol 2022; 39:6505224. [PMID: 35022771 PMCID: PMC8857926 DOI: 10.1093/molbev/msac002] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 3.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/20/2022] Open
Abstract
Nudix hydrolases are conserved enzymes ubiquitously present in all kingdoms of life. Recent research revealed that several Nudix hydrolases are involved in terpenoid metabolism in plants. In modern roses, RhNUDX1 is responsible for formation of geraniol, a major compound of rose scent. Nevertheless, this compound is produced by monoterpene synthases in many geraniol-producing plants. As a consequence, this raised the question about the origin of RhNUDX1 function and the NUDX1 gene evolution in Rosaceae, in wild roses or/and during the domestication process. Here, we showed that three distinct clades of NUDX1 emerged in the Rosoidae subfamily (Nudx1-1 to Nudx1-3 clades), and two subclades evolved in the Rosa genus (Nudx1-1a and Nudx1-1b subclades). We also showed that the Nudx1-1b subclade was more ancient than the Nudx1-1a subclade, and that the NUDX1-1a gene emerged by a trans-duplication of the more ancient NUDX1-1b gene. After the transposition, NUDX1-1a was cis-duplicated, leading to a gene dosage effect on the production of geraniol in different species. Furthermore, the NUDX1-1a appearance was accompanied by the evolution of its promoter, most likely from a Copia retrotransposon origin, leading to its petal-specific expression. Thus, our data strongly suggest that the unique function of NUDX1-1a in geraniol formation was evolved naturally in the genus Rosa before domestication.
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Affiliation(s)
- Corentin Conart
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Nathanaelle Saclier
- Université Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, UMR 5023, ENTPE, Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés, Villeurbanne, F-69622, France
| | - Fabrice Foucher
- Univ Angers, Institut Agro, INRAE, IRHS, SFR QUASAV, Angers, F-49000, France
| | - Clément Goubert
- Department of Human Genetics, McGill University Genome Center, 740 Dr Penfield Ave, Montreal, Quebec, H3A 0G1, Canada
| | - Aurélie Rius-Bony
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Saretta N Paramita
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Sandrine Moja
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Tatiana Thouroude
- Univ Angers, Institut Agro, INRAE, IRHS, SFR QUASAV, Angers, F-49000, France
| | - Christophe Douady
- Université Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, UMR 5023, ENTPE, Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés, Villeurbanne, F-69622, France.,Institut Universitaire de France, Paris, F-75005, France
| | - Pulu Sun
- Green Life Sciences Research Cluster, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Science Park 904, Amsterdam, 1098 XH, The Netherlands
| | - Baptiste Nairaud
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Denis Saint-Marcoux
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Muriel Bahut
- Univ Angers, SFR QUASAV, Angers, F-49000, France
| | - Julien Jeauffre
- Univ Angers, Institut Agro, INRAE, IRHS, SFR QUASAV, Angers, F-49000, France
| | | | - Robert C Schuurink
- Green Life Sciences Research Cluster, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Science Park 904, Amsterdam, 1098 XH, The Netherlands
| | - Jean-Louis Magnard
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Benoît Boachon
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Natalia Dudareva
- Department of Biochemistry, Purdue University, West Lafayette, IN, 47907, USA.,Purdue Center for Plant Biology, Purdue University, West Lafayette, IN, 47907, USA
| | - Sylvie Baudino
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
| | - Jean-Claude Caissard
- Université Lyon, Université Saint-Etienne, CNRS, UMR 5079, Laboratoire de Biotechnologies Végétales appliquées aux Plantes Aromatiques et Médicinales, Saint-Etienne, F-42023, France
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