Ключевой ген растений оказался многофункциональным, что может повысить выход биотоплива

Десятилетиями биологи считали, что ключевой фермент в растениях выполняет одну функцию — производит аминокислоты, жизненно важные для растений и человека.

Однако для Веллингтона Мучеро, Мэн Се и их коллег этот фермент делает больше, чем предполагалось. Серия экспериментов на тополях показала мутации в структуре этого фермента, о существовании которой ранее не было известно.

Это открытие может изменить подход к изучению функций генов у растений и, при применении, раскрыть больший потенциал тополя как возобновляемого ресурса для производства биотоплива и биопродуктов.

«Сначала мы думали, что это ошибка, потому что ферменту не нужно связываться с ДНК для выполнения его известной функции», — сказал Мучеро, биолог из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США. — «Мы повторяли эксперимент много раз и продолжали видеть в данных свидетельства того, что один и тот же ген, участвующий в производстве аминокислот, также регулирует функцию генов, участвующих в производстве лигнина».

Они обнаружили, что у тополей с определёнными мутациями уровень лигнина был неожиданно низким в разных условиях и в разном возрасте.

Лигнин заполняет пространства в клеточных стенках растений, обеспечивая прочность. Мучеро и его команда изучают генетику тополя в рамках Центра инноваций в области биоэнергетики (CBI), чтобы разработать методы выращивания модифицированных сортов с низким содержанием лигнина. Меньше лигнина — легче расщеплять растения в промышленном процессе переработки тополя в биотопливо.

Единственной стратегией снижения производства лигнина через этот аминокислотный фермент, исходя из его известной функции, было бы замедление его биологической активности.

«Такой подход был бы смертельным, — отметил Мучеро. — Фактически, это рецепт, используемый в обычных гербицидах».

В ходе исследований учёные заметили, что аминокислотный фермент отклоняется от ожидаемого пути к хлоропластам (которые содержат хлорофилл для фотосинтеза) внутри клеток.

Вместо этого их работа выявила неожиданное: дополнительный участок фермента позволял ему проникать в ядро — «мозговой центр» клетки — и выполнять «вторую работу» в качестве связывающего ДНК регулятора экспрессии генов.

Обнаружение этой прямой связи открывает новые возможности для точной настройки производства лигнина в тополе без воздействия на другие биологические процессы, которые могли бы убить растение.

«Это уникальное поведение фермента противоречит общепринятым представлениям в научном сообществе, — сказал Мучеро. — Хотя мы не знаем, как эта новая функция возникла у тополя, теперь мы знаем, что этот фермент демонстрирует такое же поведение у других видов растений».

Новые данные помогут партнёрам ORNL из индустрии — компаниям GreenWood Resources и Forage Genetics International, которые лицензировали технологию генов тополя для разных приложений, но с общей целью выведения растений с модифицированным содержанием лигнина.

«Это открытие позволило новому Центру инноваций в области биоэнергетики рационально проектировать растения с увеличенным или уменьшенным содержанием лигнина», — сказал Джерри Таскан, директор CBI в ORNL.

«Модифицированный лигнин в растениях может привести к повышению ценности лигнина и замене нефти в качестве прекурсора для пластмасс, — добавил он. — Однажды бутылки для напитков или пластиковые игрушки могут производиться из тополя».

Результаты исследования опубликованы в журнале The Plant Cell.