Геном ряски указывает на её потенциал как биотоплива
Ряска — крошечное плавающее растение, которое часто становится трудноуправляемым сорняком в прудах и небольших озёрах. Это одно из самых маленьких и быстрорастущих цветковых растений. Теперь геном большой ряски (Spirodela polyrhiza) значительно усилил потенциал этого растения как источника биотоплива. В статье, опубликованной 19 февраля 2014 года в журнале Nature Communications, исследователи из Университета Рутгерса, Объединённого института генома Министерства энергетики США и ряда других учреждений детально описали полный геном S. polyrhiza и проанализировали его в сравнении с несколькими другими растениями, включая рис и томаты.
Растение ряски простое и примитивное: один маленький лист почковидной формы размером с ластик на карандаше плавает на поверхности воды с несколькими тонкими корнями под водой. Оно размножается в основном почкованием, клонируя родительский лист, и является одним из самых быстрорастущих растений, способным удвоить популяцию за пару дней в идеальных условиях.
Эти и другие свойства делают ряску идеальным кандидатом в качестве сырья для производства биотоплива. В отличие от наземных растений, ряске не нужно поддерживать себя в вертикальном положении или транспортировать воду на большие расстояния, поэтому она содержит очень мало древесных материалов, таких как лигнин и целлюлоза, удаление которых является серьёзной проблемой в производстве биотоплива.
Геном и его особенности
- Геном S. polyrhiza оказался одним из самых маленьких среди известных растений: около 158 миллионов пар оснований и менее 20 000 генов, кодирующих белки. Это на 27% меньше, чем у Arabidopsis thaliana, и почти вдвое меньше, чем у риса.
- Ключевым открытием стало понимание молекулярной основы неотении — продления ювенильных (детских) признаков. Листья S. polyrhiza напоминают семядоли (эмбриональные листья), и растение никогда не переходит к зрелому типу роста, непрерывно производя такие листья. У него меньше генов, способствующих переходу от ювенильной к зрелой стадии, и больше генов, подавляющих этот переход.
- Многие гены, ответственные за производство целлюлозы и лигнина у наземных растений, у ряски отсутствуют, а количество копий оставшихся генов сокращено. Также уменьшено число генов для экспансинов — соединений, связанных с ростом клеточной стенки и корней.
- В то же время гены для производства крахмала сохранены, вероятно, для создания крахмалистых турионов — специализированных почек для зимовки. Кроме того, у S. polyrhiza больше копий генов ферментов, участвующих в поглощении и метаболизме азота, что связано со способностью растения использовать избыток азота в загрязнённых водах.
Перспективы для биотоплива
Полное понимание генома и клеточных механизмов S. polyrhiza может значительно усилить текущие усилия по использованию ряски в качестве источника биотоплива. По оценкам старшего автора работы Иоахима Мессинга, директора Института микробиологии Ваксмана в Университете Рутгерса, ряска станет жизнеспособным источником биотоплива в течение следующих пяти лет.
Знание того, какие гены отвечают за какие признаки, позволит исследователям создавать новые разновидности ряски с улучшенными для биотоплива свойствами, такими как:
- Сниженное содержание целлюлозы.
- Увеличенное производство крахмала (который можно напрямую использовать или преобразовывать в этанол).
- Повышенное производство липидов (масел), обладающих большей энергоёмкостью, чем этанол.
Поскольку классическая селекция для ряски затруднена из-за клонального размножения и редкого цветения, ключевым инструментом является генетическая трансформация для создания новых вариантов с модифицированными метаболическими путями для промышленного применения.
Секвенирование этого генома было выполнено в рамках программы CSP (Community Science Program) Офиса науки Министерства энергетики США. Как отметил Мессинг, эта работа открывает новые frontiers в молекулярной биологии водных растений и служит новым ориентиром для изучения всех цветковых растений.