Два класса растительных ферментов нарушают общее правило эволюции
Растительные клеточные стенки, состоящие из микрофибрилл целлюлозы, регулируют рост растений и защищают их от вредителей. Ранее был известен только один путь их синтеза — с помощью ферментов класса CESA.
Однако исследование профессора биологии Университета Род-Айленда Элисон Робертс и её коллег показало, что растения также производят микрофибриллы целлюлозы с помощью другого класса ферментов — CSLD. Это открытие может иметь значение для текстильной промышленности и возобновляемой энергетики.
Исследование "An alternate route for cellulose microfibril biosynthesis in plants" опубликовано в Science Advances.
Целлюлоза — основной компонент бумаги, древесины и многих тканей. Понимание того, как она производится, может принести пользу этим отраслям. Ферменты CSLD и производимые ими микрофибриллы также критически важны для развития пыльцевых трубок и роста корневых волосков у растений, что влияет на репродукцию и устойчивость к стрессу.
"Понимание целлюлозы и клеточных стенок важно для модификации сельскохозяйственных культур для устойчивости к изменениям климата", — говорит Робертс.
Для прямого изучения CSLD учёным пришлось удалить все ферменты CESA из растения. Это стало возможным благодаря работе с мхом Physcomitrium patens ("Physco"), который смог выжить без CESA.
Ранее считалось, что целлюлоза, производимая CSLD, должна иметь иную структуру, чем микрофибриллы от CESA. Ферменты CESA образуют кластеры, похожие на крошечные шестилепестковые цветки — "розетки", которые определяют структуру микрофибрилл.
После удаления всех CESA из мха выяснилось, что CSLD также образуют розетки и производят микрофибриллы того же размера и формы, что и CESA.
Это открытие удивительно с точки зрения эволюции: обычно при дупликации генов один из них либо приобретает новую функцию, либо устраняется естественным отбором. Однако два класса ферментов, выполняющих очень схожую функцию, сохранялись более 500 миллионов лет.
Исследователи нашли некоторые различия в ролях CSLD и CESA:
- В предыдущем исследовании с коллегами из Дартмутского колледжа было обнаружено, что ферменты CESA и CSLD по-разному перемещаются в клеточной мембране, и их движение контролируется разными способами.
Следующим шагом будет изучение того, как разное движение розеток CESA и CSLD способствует развитию различных типов растительных клеток, включая пыльцевые трубки и корневые волоски.
Робертс подчёркивает ценность междисциплинарного сотрудничества для исследования явлений, которые ещё никто не понимает. Разные идеи о том, как могут работать эти белки, приводят к разработке разных экспериментов и повышают вероятность найти ответ.