Геном эвкалипта открывает потенциал для производства бумаги, топлива и волокна

Эвкалипт, одно из самых широко выращиваемых в мире лиственных деревьев, служит множеству целей — от производства антисептических масел до изготовления диджериду. Его быстрый рост привлек внимание исследователей, стремящихся использовать и улучшить потенциал эвкалипта для производства устойчивых биотоплива и биоматериалов, обеспечивая стабильный круглогодичный источник биомассы, не конкурирующий с продовольственными культурами.

Международный проект по секвенированию и анализу генома Eucalyptus grandis размером 640 миллионов пар оснований, о котором сообщалось в выпуске журнала Nature от 12 июня 2014 года, объединил более 80 исследователей из 30 учреждений в 18 странах.

Деревья играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле, выступая в качестве крупного наземного хранилища углерода. Эвкалипт, насчитывающий более 700 видов, можно выращивать в тропических и умеренных зонах. Изучив более 36 000 генов эвкалипта (почти вдвое больше, чем в геноме человека), исследователи сосредоточились на тех, что влияют на производство материала вторичной клеточной стенки, который можно перерабатывать в целлюлозу, бумагу, биоматериалы и биоэнергию. Около 80% древесной биомассы эвкалипта состоит из целлюлозы и гемицеллюлозы (длинных цепочек сахаров), а остальное — в основном лигнин, «клей», скрепляющий структуру.

Ключевые открытия в геноме:

• Гены для биомассы: Команда идентифицировала гены, кодирующие 18 заключительных ферментативных шагов для производства целлюлозы и гемицеллюлозы (ксилана). Также были обнаружены новые гены-кандидаты для построения лигнина, высокоактивные в развитии ксилемы (древесной ткани).
• Эволюционные особенности: Анализ выявил событие удвоения всего генома около 110 миллионов лет назад, а также необычно высокую долю генов в тандемных повторах. У эвкалипта таких тандемно повторяющихся генов в три раза больше, чем у тополя (первого секвенированного дерева).
• Защитные соединения: Среди секвенированных на сегодня растений эвкалипт показал наибольшее разнообразие генов для специализированных метаболитов, таких как терпены. Эти углеводороды служат химической защитой от вредителей и являются источником ароматических эфирных масел.
• Инбридинг: Исследование пролило свет на генетическую архитектуру инбредной депрессии (снижения жизнеспособности при самоопылении) у деревьев, которая является барьером для быстрой доместикации. Результаты предполагают, что за это явление отвечают кумулятивные эффекты множества мелких генетических вариантов по всему геному.

Значение для науки и промышленности:

• Понимание генетического контроля над образованием клеточной стенки — ключевой шаг к созданию будущих энергетических культур.
• Библиотека генов, контролирующих синтез терпенов, позволит модифицировать биохимический путь для потенциального использования эвкалипта в качестве сырья для авиатоплива.
• Обширный каталог генов позволит селекционерам адаптировать эвкалипты для устойчивого производства энергии в регионах, где их сейчас нельзя выращивать (например, на юго-востоке США).

Эвкалипт, посаженный в 100 странах на шести континентах (более 40 миллионов акров), является основным кандидатом на роль энергетической культуры благодаря быстрому росту, отличным свойствам древесины и волокна, а теперь и расшифрованному геному, который открывает путь к ускоренной селекции.