Учёные увеличили накопление масла в листьях растений
Увеличение содержания масла в биомассе растений может помочь удовлетворить растущий спрос на возобновляемое сырьё для производства энергии. Однако многие детали того, как листья растений производят и расщепляют масла, оставались загадкой. Серия генетических исследований, проведённых в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и опубликованных в The Plant Cell, раскрыла ранее неизвестные биохимические детали этих метаболических путей, включая новые способы увеличения накопления масла в листьях — обильном источнике биомассы для производства топлива.
Используя эти методы, учёные вырастили экспериментальные растения Arabidopsis, чьи листья накапливали 9% масла по сухому весу. Это примерно в 150 раз больше, чем в листьях дикого типа.
«Это необычно высокий уровень накопления масла для вегетативной ткани растений», — сказал биохимик Чанчэн Сюй, руководивший исследованием. «У сельскохозяйственных культур, время роста которых больше, при той же скорости накопления мы могли бы получить гораздо более высокое содержание масла — возможно, до 40% по весу».
При выращивании растений для биотоплива цель — увеличить калорийность, так как энергоёмкие масла дают больше «отдачи с акра», чем менее энергоёмкие углеводы листьев.
Расшифровка биохимических путей
Ключом к увеличению накопления масла в этих исследованиях стало выяснение деталей биохимических путей, участвующих в превращении углерода в жирные кислоты, хранении жирных кислот в виде масла и расщеплении масла в листьях. До этого исследования учёные не знали, что эти процессы так тесно связаны.
«Мы раньше думали, что хранение и расщепление масла — это альтернативные пути для вновь синтезированных жирных кислот, строительных блоков масел», — сказал биохимик Джон Шэнклин, соавтор исследований.
Чтобы раскрыть связи, Джиллиан Фан и другие члены команды использовали серию генетических приёмов, чтобы систематически отключать целый алфавит ферментов — молекул, опосредующих химические реакции клетки, — и посмотреть, влияет ли и как каждый из них на регуляцию различных биохимических превращений. Они также использовали меченые радиоактивными изотопами версии жирных кислот, чтобы проследить их путь и узнать, как быстро они движутся по пути. Затем они использовали полученные данные, чтобы описать, как процессы происходят внутри различных субклеточных структур: хлоропластов, эндоплазматического ретикулума, липидных капель и пероксисом.
«Наша цель состояла в том, чтобы проверить и понять все компоненты системы, чтобы полностью понять, как жирные кислоты, которые производятся в хлоропластах, расщепляются в пероксисомах», — сказал Сюй.
Ключевые выводы
Исследование показало, что не существует прямого пути для перемещения жирных кислот из хлоропластов в пероксисомы, как предполагалось ранее. Вместо этого в эндоплазматическом ретикулуме происходит множество сложных реакций, чтобы сначала превратить жирные кислоты через серию промежуточных соединений в растительные масла. Эти масла накапливаются в липидных каплях в цитоплазме, пока другой фермент не расщепит их, чтобы высвободить строительные блоки жирных кислот. Ещё один фермент должен транспортировать жирные кислоты в пероксисому для заключительных стадий деградации путём окисления. Количество масла, накапливающегося в любой момент времени, представляет собой баланс между путями синтеза и деградации.
Некоторые предыдущие попытки увеличить накопление масла в листьях были сосредоточены на нарушении расщепления масел путём блокирования действия фермента, который транспортирует жирные кислоты в пероксисому. Рассуждение заключалось в том, что накопление жирных кислот будет оказывать отрицательную обратную связь на расщепление липидных капель. Высокий уровень жирных кислот, остающихся в цитоплазме, будет ингибировать дальнейшее расщепление липидных капель, что приведёт к большему накоплению масла.
Эта идея в некоторой степени работает, сказал Сюй, но текущее исследование показывает, что она оказывает негативное влияние на общее состояние растений. «Растения растут не так хорошо, и могут быть другие дефекты».
Основываясь на новом понимании детальных биохимических этапов, ведущих к расщеплению масла, Сюй и его коллеги исследовали другой подход — отключение фермента на шаг назад в метаболическом процессе, того, который расщепляет липидные капли для высвобождения жирных кислот.
«Если мы выключим этот фермент, известный как SDP1, мы получим большое количество масла, накапливающегося в листьях, и без существенного вредного воздействия на рост растений», — сказал он.
«Это исследование указывает на новый и отличный от других лабораторий способ накопления масла в листьях», — сказал Сюй. «Кроме того, стратегия принципиально отличается от других стратегий, основанных на добавлении генов, тогда как наша стратегия основана на отключении или инактивации генов с помощью простых мутаций. Эта работа предоставляет очень многообещающую платформу для инженерии производства масла немодифицированным генетически способом».
«Эта работа — ещё один пример того, как исследования фундаментальных биохимических механизмов могут привести к знаниям, которые имеют большой потенциал для решения реальных проблем», — заключил Шэнклин.