Новое исследование раскрывает детали биосинтеза лигнина

Лигнин — это прочный биополимер, который придает моркови клетчатку и хруст, а мясу, приготовленному на костре, — характерный дымный аромат. Выступая в роли «клея», скрепляющего клеточную стенку растения, лигнин придает ему огромную механическую прочность. Присутствуя у всех наземных растений, кроме мхов, лигнин выполняет три важные функции: позволяет растениям расти вертикально в борьбе за солнечный свет, облегчает движение воды и минералов вверх по сосудистой ткани и защищает растения от патогенов и травоядных животных. Лигнин также связывает атмосферный углерод в своих тканях, играя важную роль в углеродном цикле. Около 30% неместного органического углерода хранится в лигнине, и после целлюлозы это самый распространенный биологический полимер на Земле.

Лигнин состоит из трех фенилпропаноидных субъединиц: G (гваяциловой), S (сиринговой) и H (п-гидроксифенильной). Их предшественники образуются внутри клетки и транспортируются в клеточную стенку, где окисляются ферментами, а затем соединяются, формируя высоко сложную и гетерогенную трехмерную структуру лигнина. Биологи давно задавались вопросом, как регулируется этот процесс лигнификации. В клеточных стенках растений присутствуют два семейства ферментов — пероксидазы и лакказы, — которые, как предполагалось, катализируют окисление предшественников лигнина. В то время как участие пероксидаз в лигнификации было подтверждено, роль лакказ оставалась неясной.

Теперь команда исследователей из Institut Jean Pierre Bourgin INRA (Франция) предоставила убедительные доказательства того, что лакказы действительно вносят вклад в лигнификацию у модельного растения Arabidopsis (семейство капустных). В геноме Arabidopsis присутствует 17 генов лакказ. Поскольку гены, участвующие в лигнификации, скорее всего, экспрессируются в стебле, ученые изучили экспрессию всех 17 генов. Было обнаружено, что два из них — LACCASE4 и LACCASE17 — сильно экспрессируются в стеблях, и они были выбраны для дальнейшего анализа.

Затем исследователи идентифицировали мутантные растения Arabidopsis, в которых LACCASE4 и 17 были «выключены». Они скрестили эти мутанты, чтобы получить двойные мутанты, лишенные ферментов LACCASE4 и 17. Хотя как одинарные, так и двойные мутанты нормально росли в теплице, содержание лигнина было немного снижено у одинарных мутантов и снижено до 40% у двойных мутантов. Интересно, что снижение содержания лигнина у двойного мутанта, по-видимому, положительно повлияло на сакхарификацию — процесс высвобождения сахаров из растительной биомассы. Учитывая, что устойчивые клеточные стенки представляют собой основное препятствие для производства биотоплива, это открытие может найти полезное применение в биоэнергетической промышленности.

Ученые также продемонстрировали, что нарушение работы LACCASE17 специфично снижает включение G-субъединиц в лигнин волокнистых клеток, а внесение интактной версии гена LACCASE17 в линии с мутантной версией этого гена исправляло этот дефект. Таким образом, LACCASE17, по-видимому, способствует специфичному для волокон включению G-субъединиц в лигнин. Нарушение работы LACCASE4 не повлияло на соотношение фенилпропаноидных субъединиц в стебле, что позволяет предположить, что этот ген катализирует включение всех субъединиц лигнина в равной степени.

Эта работа предоставляет убедительные доказательства того, что лакказы играют центральную роль в лигнификации. По словам Катрин Лапьер: «Генная инженерия специфичных для лигнина лакказ — это потенциально инновационный и многообещающий инструмент для повышения сакхарификации растительных клеточных стенок при их использовании для производства биотоплива».