Учёные обнаружили причину торможения производства специальных масел в растениях
Сотни природных специализированных жирных кислот (строительных блоков масел) имеют потенциал для использования в качестве сырья для смазочных материалов, пластмасс, фармацевтики и многого другого — если бы их можно было производить в больших масштабах сельскохозяйственными растениями. Однако попытки внедрить гены для создания этих специализированных кислот в культуры давали обратный эффект: семена таких растений накапливали значительно меньше масла. Причина была неизвестна.
Теперь две группы биохимиков из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, изучавшие разные аспекты синтеза масел, объединились и обнаружили механизм этого замедления. Как описано в журнале Plant Physiology, они скрещивали модельные растения и провели детальные биохимико-генетические анализы, чтобы продемонстрировать стратегию устранения препятствия и увеличения производства. Эта работа открывает путь для получения по крайней мере одной промышленно важной специализированной жирной кислоты в растениях — и, возможно, для многих других.
Схождение двух проектов
Исследование выросло из двух проектов в лаборатории Джона Шэнклина. Один был сосредоточен на проблемах производства специализированных жирных кислот, а другой — на расшифровке биохимической петли обратной связи, которую растения используют для регуляции синтеза обычных жирных кислот и масел.
В ходе второго проекта команда недавно охарактеризовала механизм, с помощью которого растения снижают синтез масел, когда уровни их обычных (эндогенных) жирных кислот становятся слишком высокими.
«Эта система работает как термостат», — объяснил Шэнклин. Ключевой механизм, контролирующий производство, — это фермент ACCase. У него есть четыре части, или субъединицы — их можно представить как шестерёнки. Пока эндогенные жирные кислоты ниже определённого уровня, четыре «шестерёнки» сцеплены, и механизм производит жирные кислоты. Однако добавление растениям эндогенных жирных кислот запускает замену в механизме: одна из субъединиц ACCase заменяется нефункциональной версией, известной как BADC. Эта «шестерёнка без зубьев» замедляет производство, пока уровень эндогенных кислот не упадёт.
Специализированные же жирные кислоты (производимые искусственно добавленными генами) запускали отключение даже при наличии небольших количеств этих «чужеродных» кислот, когда эндогенные кислоты не были в избытке. Это делало процессы похожими на отдельные.
Обсуждая проекты, команды начали задаваться вопросом: не запускают ли специализированные кислоты тот же самый «выключатель», что и высокие уровни обычных кислот?
Проверка гипотезы
В более ранних исследованиях группа Шэнклина создала штамм модельного растения Arabidopsis, у которого удалены два гена BADC. У этих растений «выключатель» отключён, и они производят высокие уровни эндогенных жирных кислот. Учёные задались вопросом, что произойдёт, если гены BADC будут отключены в растениях, сконструированных для производства специализированных жирных кислот.
Сяо-Хун Ю и Юаньхэн Цай разработали стратегию скрещивания растений с дефектным «выключателем» со штаммом Arabidopsis, сконструированным для производства гидроксижирных кислот — одного из типов специализированных кислот, интересных для промышленности. Этот штамм мог производить гидроксижирные кислоты, но скорость синтеза масла у него была вдвое ниже, чем у обычных растений, и в семенах накапливалось гораздо меньше масла.
Для получения растений с нужной комбинацией генов (оба удалённых гена BADC и два гена, запускающих производство гидроксижирных кислот) потребовалось несколько поколений. С помощью ПЦР-анализа (аналогичного тесту на COVID-19) было проанализировано более 600 растений.
Конечный результат: Растения с комбинацией дефектных генов BADC и генов, необходимых для производства гидроксижирных кислот, производили нормальное количество масла, содержащего специализированные продукты. По сравнению с растениями с нормальными генами BADC, у новых растений наблюдалось увеличение общего количества жирных кислот на семя, общего содержания масла в семенах на растение и урожайности семян на растение.
«Растения с дефектным BADC "не видят" присутствия гидроксижирных кислот, и обычная реакция отключения ACCase — маслосинтезирующего механизма — исчезает», — пояснила Джантана Киритавип.
Результаты доказывают, что BADC является механизмом снижения активности ACCase в обоих сценариях — как при накоплении избытка эндогенных жирных кислот, так и при наличии гидроксижирной кислоты.
«Мы сейчас проверяем, ограничен ли этот механизм только гидроксижирными кислотами или, как мы подозреваем, он общий для других "чужеродных" жирных кислот, которые также снижают активность ACCase», — сказал Шэнклин. — «Если это общий механизм, он открывает возможность реализации мечты о производстве дополнительных желаемых специализированных жирных кислот в богатых маслом семенах сельскохозяйственных растений».
«Это хороший пример того, как фундаментальное понимание биохимической регуляции может быть использовано для продвижения к жизнеспособной, устойчивой биоэкономике», — заключил Шэнклин. — «Мы можем использовать этот подход для получения ценных возобновляемых промышленных исходных материалов с низкой себестоимостью в растениях из диоксида углерода и солнечного света вместо того, чтобы полагаться на нефтехимию».