Конвергентная эволюция в биосинтезе лигнина: инструменты для изменения состава биомассы

Лигнин — это палка о двух концах в производстве биотоплива. Для получения целлюлозного этанола его нужно меньше, так как он мешает расщеплению целлюлозы. При пиролитических методах, наоборот, нужно больше лигнина, потому что он содержит больше энергии, чем целлюлоза. Понимание синтеза лигнина, долгое время остававшееся загадкой, необходимо как для максимизации, так и для минимизации его содержания.

Лигнин — ключевая адаптация к жизни на суше: он укрепляет клеточные стенки растений, помогая им сохранять вертикальное положение и усиливая стенки специализированных водопроводящих трубок.

Полимер лигнина состоит из сложного набора субъединиц, состав которых различается у разных видов. Например, у папоротников и хвойных лигнин состоит в основном из p-гидроксифениловых (H) и гваяциловых (G) единиц. У цветковых растений есть H и G субъединицы, а также сирингиловые (S) субъединицы, производные синапилового спирта. Интересно, что S-лигнин также обнаружен у некоторых плауновидных, включая селагинеллу (Selaginella).

В исследовании, опубликованном на этой неделе в The Plant Cell, группа учёных под руководством Клинта Чаппла из Университета Пердью показала, что синтез лигнина у Selaginella идёт по другому пути.

Их работа сосредоточена на характеристике фермента ферулат-5-гидроксилазы (F5H). У цветковых растений этот фермент производит S-единицы лигнина из G-предшественников. Сравнив фермент Selaginella (Sm F5H) с F5H из модельного цветкового растения Arabidopsis thaliana (At F5H), авторы обнаружили, что Sm F5H может катализировать ту же реакцию, что и At F5H, а также дополнительную реакцию. Он действует на предшественники H-лигнина, образуя предшественники G и S лигнина, тем самым обходя четыре этапа синтеза лигнина у покрытосеменных. Более того, трансгенная экспрессия Sm F5H может восстановить нормальное отложение лигнина у растений Arabidopsis с мутациями в других ферментах биосинтеза лигнина.

Интересно, что некоторые комбинации трансгенного Sm F5H и мутаций лигнина Arabidopsis дают составы лигнина, которые, вероятно, не встречаются в природе. Это указывает, что манипуляции этим путём можно использовать для изменения состава лигнина. Поскольку разные составы субъединиц лигнина дают разные структурные свойства, такая инженерия может повлиять на характеристики биомассы, такие как перевариваемость.

Автор Клинтон Чаппл отмечает: «Волнительно осознавать, что изучение растений, столь отдалённо родственных сельскохозяйственным культурам, может дать нам новые инструменты для создания растений, полезных для человека».

Это исследование также даёт интересное представление о конвергентной эволюции — процессе, при котором разные эволюционные линии приходят к сходным адаптациям (например, независимое развитие крыльев для полёта у летучих мышей и птиц). Selaginella относится к одному из древнейших отделов сосудистых растений, возникших после древнего разделения на плауновидные и эуфиллофиты (к которым относятся все современные семенные растения). Подобно крыльям летучей мыши и птицы, синтез S-лигнина, по-видимому, возник независимо у цветковых растений и плауновидных. Таким образом, это исследование открывает интересное окно в конвергентную эволюцию растений и предоставляет потенциально полезный инструмент для инженерии синтеза лигнина.