Биохимик Джей Телен из Университета Миссури использует Arabidopsis в качестве модели для изучения способов повышения производства масла. Это важный шаг на пути к созданию более устойчивых источников энергии на растительной основе.
Для удовлетворения растущего глобального спроса на биотопливо учёные уже модифицируют гены растений, чтобы увеличить количество производимого растительного масла. Внутри растения сложная сеть метаболических путей превращает солнечный свет, углекислый газ (или атмосферный углерод), воду и питательные вещества в жизненно важные соединения, включая масло — основной ингредиент биотоплива.
Гены дают инструкции ферментам, которые, в свою очередь, помогают контролировать метаболические пути растения. Однако мы только начинаем понимать, как модификация этих генов для производства большего количества масла влияет на другие метаболические пути растения, которые все взаимосвязаны.
В своём новом исследовании Телен и его коллеги проследили, как метаболизм растений реагирует на эти генетические изменения. Их выводы дадут коллегам-учёным подсказки о том, как настроить производство масла в растении так, чтобы получать максимальное количество биотоплива.
Статья под названием «Comparative omics reveals unanticipated metabolic rearrangements in a high-oil mutant of plastid acetyl-CoA carboxylase» была опубликована в Journal of Proteome Research.
«Поскольку производство масла использует центральные метаболические пути, мы знаем, что модификация растений для производства большего количества масла в конечном итоге влияет на другие пути, создавая ограничения на снабжение углеродом», — сказал Телен, профессор биохимии в Колледже сельского хозяйства, продовольствия и природных ресурсов Университета Миссури.
«Используя знания, полученные в этом крупномасштабном биологическом исследовании, мы можем выявить эти метаболические узкие места и снять эти ограничения с помощью целенаправленной инженерии, чтобы максимизировать производство желаемых продуктов, таких как масло».
Одним из самых неожиданных результатов исследования стало опровержение давнего наблюдения о том, что содержание масла в семенах обратно пропорционально содержанию белка. Другими словами, если вы пытаетесь увеличить содержание масла, содержание белка снижается, и наоборот. Однако Телен и его коллеги обнаружили одновременное увеличение содержания как масла, так и белка в семенах.
«Удивительное одновременное увеличение содержания белка предполагает, что можно одновременно усилить несколько ценных компонентов в растениях, которые выращиваются как для получения масла, так и для получения белка, вместо того чтобы идти на компромисс», — сказал Телен.
«Это исследование нокаута гена регуляторного гена производства жирных кислот может дать ключ к пониманию того, как создавать семена с более высоким общим содержанием желательных веществ, предлагая большую ценность».
Другой неожиданный результат выявил «бесполезный цикл» — процесс, при котором генетически модифицированные растения, производящие больше масла, также запускают процессы, разрушающие эти масла.
«Мы заметили, что растения активировали пути мобилизации липидов, по-видимому, расщепляя липиды (жирные кислоты), которые они пытались перепроизводить», — сказал он. «В будущих исследованиях мы хотим попытаться выяснить, что вызвало этот необычный метаболический ответ, и в конечном итоге замедлить катаболизм жирных кислот, чтобы минимизировать этот расточительный цикл».
Долгосрочная цель команды — помочь разработать более эффективные растения-производители масла, такие как камелина и пенник, — быстрорастущие покровные культуры, которые могут быстро поглощать углекислый газ и превращать его в масло наиболее эффективным способом.
«Этот углекислый газ может быть использован для производства различных продуктов, таких как простые и сложные сахара, воски, органические кислоты и масла», — сказал Телен, который также является главным исследователем в Центре наук о жизни Кристофера С. Бонда.
«Цель генной инженерии — переместить как можно больше этого углерода из менее ценных продуктов в производство масла семян, основного агрономического продукта масличных покровных культур».
Предоставлено Университетом Миссури.