Прорыв в изучении лигнина стал GPS для исследований растений
Учёные из Университета штата Северная Каролина разработали подход, эквивалентный GPS-навигации, для понимания того, как растения адаптируются к окружающей среде, а также для повышения их продуктивности и потенциала в качестве биотоплива.
Две статьи, опубликованные 11 марта в The Plant Cell, предлагают пошаговый метод изучения признаков растений, основанный на всестороннем количественном исследовании формирования лигнина у тополя чёрного. Лигнин — важный и сложный полимер, отвечающий за рост и развитие растений, обеспечивающий механическую прочность и транспорт воды, что позволяет некоторым деревьям достигать высоты 100 метров. Однако лигнин необходимо удалять для производства биотоплива, целлюлозы и бумаги — процесс, требующий применения агрессивных химикатов и дорогостоящих обработок.
Междисциплинарное исследование предлагает новый подход, интегрирующий знания о генах, белках, химических соединениях растений и инженерное моделирование, чтобы понять, как растения создают продукты и структуры, необходимые для роста и развития. Эта работа в новой области системной биологии растений, объединяющей биологию, химию и инженерию, задаёт новый стандарт для понимания любых сложных биологических признаков в будущем.
«Я описываю эти результаты как MapQuest для учёных-растениеводов», — говорит Винсент Чианг, содиректор Forest Biotechnology Group в NC State, ведущей команды проекта, в котором участвовали учёные из Колледжа природных ресурсов, Инженерного колледжа и Колледжа наук. — «Например, подход системной биологии можно применить в исследованиях по выведению более сладких цитрусовых, устойчивого к болезням риса или засухоустойчивых деревьев».
За многие годы интенсивных исследований междисциплинарная команда под руководством Чианга очистила 21 фермент пути и проанализировала 189 различных параметров, связанных с формированием лигнина. С помощью инженерных коллег Краноса Уильямса и Джоэла Дюкоста команда разработала модели, которые предсказывают, как ферменты пути влияют на содержание и состав лигнина. Один из ферментов образует новую четырёхкомпонентную структуру, которая была открыта в рамках этой работы, включая количественный анализ всех 21 ферментов, проведённый химиком Дэвидом Маддиманом.
«Модель, основанная на всеобъемлющем наборе уравнений для каждого этапа процесса, теперь может предсказывать изменения количества и состава лигнина, а также объяснять, почему его часто трудно модифицировать в растениях», — говорит Рональд Седерофф, содиректор Forest Biotechnology Group.
Результаты, подобные GPS, могут сократить годы исследовательской работы, необходимые для будущих достижений, говорит Чианг. «Мы надеемся, что это исследование стимулирует аналогичную работу молодых учёных. Не стоит отчаиваться из-за сложных биологических процессов. Наша работа демонстрирует успешный подход для таких исследований».