Исследование факторов, контролирующих рост и синтез лигнина у ели

Норвежская ель — крупное хвойное дерево, произрастающее в Северной, Центральной и Восточной Европе. Хвойные составляют значительную часть наземной биомассы и служат важным поглотителем углерода, большая часть которого идет на построение клеточных стенок древесных тканей. Имеющая экономическое значение норвежская ель не является исключением.

Норвежская ель — модельный вид голосеменных (деревянистых растений с «голыми» семенами на шишках). Вторичная ксилема (водопроводящая ткань, или «древесина») ее клеточной стенки содержит 27% важного фенольного полимера — лигнина.

Лигнин придает жесткость и структурную поддержку полисахаридам клеточной стенки, а также ценен для производства биоматериалов. Таким образом, норвежская ель важна не только как лесная культура, но и как источник органических соединений.

Много исследований было посвящено изучению метаболических путей роста и синтеза метаболитов у этого вида, в авангарде которых находятся ученые из Финляндии.

Профессор Токийского университета науки (TUS) Кадзуюки Кучицу, ведущий исследователь активных форм кислорода (АФК) у растений, совместно с финскими учеными изучил биосинтез лигнина у ели.

Предыдущие исследования показали, что финальные стадии полимеризации лигнина включают окисление монолигнолов до фенольных радикалов с последующим неферментативным связыванием. Для этого используются пероксидаза (с использованием перекиси водорода, H₂O₂) или лакказа (с использованием кислорода). Также была выявлена роль ROS-биогенных ферментов в синтезе лигнина и росте ели.

АФК, такие как супероксид-анион радикалы, H₂O₂ и гидроксильные радикалы, могут продуцироваться в плазматической мембране и клеточных стенках растений различными источниками (например, оксидазами, пероксидазами, гомологами NADPH-оксидаз, RBOH) и поступать в апопласт.

Растительные RBOH используют цитоплазматический NADPH в качестве донора электронов для производства супероксид-анион радикалов, которые затем дисмутируют в H₂O₂. Исследования профессора Кучицу показали, что этот механизм генерации АФК важен для многих процессов у растений, включая рост пыльцевой трубки и оплодотворение.

В лигнино-образующей культуре клеток и развивающейся ксилеме норвежской ели ген PaRBOH1 является наиболее высокоэкспрессируемым геном RBOH.

Чтобы выяснить, как регулируется PaRBOH1, команда профессора Кучицу совместно с финскими учеными изучила ROS-продуцирующую активность и регуляторный механизм PaRBOH1 у голосеменных, включая ель.

Исследование впервые показало, что PaRBOH1 активируется ионами кальция и фосфорилированием для производства АФК. Кроме того, в клеточном экстракте развивающейся ксилемы была обнаружена протеинкиназная активность, фосфорилирующая определенные остатки серина и треонина в PaRBOH1.

Результаты, опубликованные в Frontiers of Plant Science, демонстрируют, что все семенные растения — голосеменные и покрытосеменные — разделяют одинаковые механизмы контроля активности RBOH.

Профессор Кучицу поясняет значимость работы: «АФК обычно рассматривались как токсичные вещества, но наше исследование показывает, что многие функции растений, включая стрессовый ответ, вегетативное и репродуктивное развитие, регулируются АФК, продуцируемыми ROS-биогенными ферментами».

Он также отмечает практическое применение открытий: «Наше исследование в будущем может способствовать стимулированию роста деревьев и развитию технологий производства ценных материалов».