Биологи создают более крупные и устойчивые сельскохозяйственные культуры для производства топлива и биопродуктов

от

Клеточные стенки растений не только обеспечивают им поддержку и защиту — они также содержат богатые энергией биоматериалы, которые могут открыть новые пути для получения дополнительного топлива, химикатов и материалов в США. Именно поэтому биологи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) изучают сложные генетические механизмы, регулирующие эти полезные растительные материалы, известные как биомасса.

В недавно опубликованном исследовании, опубликованном в журнале Plant Biotechnology Journal, исследовательская группа обнаружила растительный белок, который играет ключевую роль в трёх важных биологических процессах в растениях тополя — реакции на дефицит железа, биосинтезе клеточной стенки и синтезе молекул, борющихся с болезнями.

Белок называется PtrbHLH011. Он впервые привлёк внимание исследователей несколько лет назад, когда они идентифицировали гены и белки, влияющие на реакцию растений тополя на питательный стресс. «Мы обнаружили, что экспрессия гена PtrbHLH011 значительно снижена у растений, испытывающих стресс и растущих на среде с дефицитом железа», — сказал Мэн Сие, биолог из Брукхейвена и ведущий автор новой статьи.

Во время фотосинтеза растениям нужно железо, чтобы преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, которая обеспечивает рост. Благодаря более глубокому пониманию того, как работают растительные гены и белки, такие как PtrbHLH011, биологи работают над созданием биоэнергетических культур, которые могут накапливать этот важный минерал и процветать даже на бедных железом маргинальных землях.

Традиционно исследователи работали над увеличением содержания сахаров в клеточных стенках, которые можно преобразовать в биотопливо. Но в последние годы внимание учёных привлёк жёсткий компонент клеточной стенки — лигнин, поскольку его можно использовать для производства ценных биопродуктов с промышленным применением, таких как цемент и клеи.

«Различные факторы окружающей среды могут влиять не только на биосинтез клеточной стенки, но и на соотношение компонентов клеточной стенки, таких как сахара и лигнин», — пояснил Сие. «Мы решили изучить молекулярный механизм, лежащий в основе этой так называемой «экологической пластичности».

Поскольку некоторые белки выполняют перекрывающиеся функции — или несколько, казалось бы, несвязанных функций — бывает трудно отличить одну функцию от другой. Поэтому биологи часто «выключают», или деактивируют, ген, чтобы лучше понять функцию кодируемого им белка.

В этом случае сотрудники Университета Мэриленда разработали растения тополя, лишённые PtrbHLH011. Нокаутные растения одновременно производили вдвое больше лигнина и демонстрировали усиленный рост. Это было особенно удивительно, поскольку предыдущие исследования показали, что увеличение содержания лигнина — и, следовательно, укрепление клеточных стенок — обычно отвлекает энергию от роста и ограничивает общую урожайность биомассы.

Модифицированные растения также накапливали в листьях в три раза больше железа и увеличивали выработку флавоноидов — соединений, которые могут помочь растениям бороться с болезнями.

В соответствии с этими наблюдениями, растения, созданные биологами из Брукхейвена для сверхэкспрессии гена PtrbHLH011, демонстрировали противоположные черты: замедленный рост, более слабые клеточные стенки, повышенную чувствительность к болезням и жёлтые листья, характерные для стрессового состояния, вызванного нехваткой питательных веществ.

«PtrbHLH011 — это особый тип белка, называемый фактором транскрипции, то есть он связывается с определёнными последовательностями ДНК растений и регулирует экспрессию нескольких генов-мишеней», — пояснил Юциу Дай, научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории и первый автор новой статьи. «Поэтому мы ожидали, что нарушение гена PtrbHLH011 повлияет на несколько биологических процессов, связанных с его генами-мишенями».

Однако исследователи были удивлены, обнаружив, что нокаут белка PtrbHLH011 усилил несколько процессов, требующих значительного количества энергии, что обычно создаёт значительную метаболическую нагрузку для растений.

«Мы подозреваем, что трёхкратное увеличение содержания железа в листьях повысило фотосинтез у растений, что в конечном итоге привело к выработке большего количества энергии для поддержки роста растений и синтеза лигнина и флавоноидов», — сказал Сие.

Всплеск синтеза флавоноидов особенно впечатляет, поскольку биологи из Брукхейвена и других организаций активизируют усилия по биологической подготовке для защиты биоэнергетических растений США от болезней. В будущих исследованиях, посвящённых изучению того, как растения реагируют на инфекции и болезни, исследователи стремятся раскрыть основные механизмы, которые можно использовать для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к патогенам, снижающим урожайность биомассы.

Благодаря выявлению регуляторного механизма гена, модулируемого PtrbHLH011, исследователи из Брукхейвена также работают над точной настройкой экспрессии его специфических генов-мишеней.

«Если мы сможем модулировать отдельные «нижестоящие» гены-мишени, а не фактор транскрипции, регулирующий их все, мы сможем более точно контролировать один биологический процесс за раз», — сказал Дай.

Сие добавил: «Основополагающее понимание, которое мы установили в ходе этого исследования, позволит нам продвинуть наши биотехнологические усилия по развитию производства биотоплива и сырья для биоэнергетики».

«Эти результаты стали результатом успешной интеграции нескольких объектов и возможностей Управления науки Министерства энергетики США», — сказал Сие. Например, сотрудники Объединённого института генома измерили уровни экспрессии генов в генетически модифицированных растениях, а сотрудник Молекулярной кузницы предоставил информацию о том, как недавно обнаруженный регуляторный механизм адаптировался по мере эволюции наземных растений, таких как тополь.

Исследователи из Брукхейвена использовали конфокальную микроскопию в Центре функциональных наноматериалов (CFN), чтобы визуализировать экспрессию PtrbHLH011 в клетках растений. Они измерили содержание лигнина в биомассе в Биологическом отделе Брукхейвена. А с помощью сотрудников Национального источника синхротронного света II (NSLS-II) исследователи провели эксперименты по рентгеновской биовизуализации на линиях подрентгеновской рентгеновской спектроскопии (SRX) и рентгеновского рассеяния в биологических науках (LiX), чтобы изучить накопление железа и структуру клеточной стенки в растениях тополя.

Предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте