Учёные определили стерол, необходимый для накопления масла в растениях

Исследователи, изучающие процесс производства и накопления масла в растениях, обнаружили новый ключевой компонент этой "сборочной линии". Они выявили конкретный стерол — молекулу, родственную холестерину, — который играет ключевую роль в формировании масляных капель.

"Это исследование значительно расширяет наше понимание молекулярных факторов, управляющих формированием липидных капель — жизненно важных органелл для хранения и метаболизма масел у всех эукариотических организмов", — сказал Чанчэн Сю, биолог из Национальной лаборатории Брукхейвена Министерства энергетики США, руководивший исследованием. Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут указать новые пути для изменения содержания масла в различных тканях растений.

Работа особенно важна для разработки стратегий генной инженерии, направленных на увеличение содержания масла в листьях и стеблях. Эти ткани обычно не накапливают масло, но их можно модифицировать как обильный источник устойчивых масел для производства биотоплива и других продуктов, отмечают учёные.

Выводы также применимы к накоплению масла в семенах растений — основном естественном резервуаре растительных масел. Эти природные запасы обеспечивают питание зародышам и проросткам растений, а также животным и людям.

"Мы обнаружили, что дефицит определённого типа стерола вызывает снижение накопления масла в семенах и листьях", — сказал Сю.

Зелёный свет для производства масла

Команда Сю годами работала над увеличением накопления масла в листьях и стеблях растений. "Листья по сравнению с семенами гораздо более доступны в качестве возможного биоэнергетического материала", — отметил он. Кроме того, чтобы избежать конкуренции между продовольствием и топливом, учёные стремятся накапливать масло в не-семенных частях растений.

Команда добилась определённых успехов, заставив листья модельного растения Arabidopsis накапливать значительное количество масла. Они разработали удобный метод отслеживания накопления масла, создав с помощью генной инженерии растения Arabidopsis, в которых зелёный флуоресцентный белок всегда прикреплён к белку олеозину. Олеозин накапливается только на поверхности липидных капель, стабилизируя их мембрану. Под флуоресцентным микроскопом капли видны как зелёные точки.

Учёные обработали растения мутагеном, чтобы найти мутации, увеличивающие накопление масла (больше или крупнее зелёных точек). Иронично, но открытие о стероле было сделано на штамме Arabidopsis, который почти не накапливал масло. Основной целью стало выяснение, какая генетическая модификация вызвала это резкое падение.

Поиск гена

Чтобы определить мутацию, команда использовала метод позиционного клонирования — поиск по всем регионам хромосом для идентификации гена, ответственного за интересующий признак. Метод сузил поиск до конкретного региона одной из хромосом, содержащего сотни генов-кандидатов.

После полногеномного секвенирования учёные идентифицировали подозреваемый ген. Он кодирует фермент, ответственный за один из биохимических этапов многоступенчатого синтеза стерола — молекулы, родственной холестерину, которая содержится в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР) и других клеточных мембранах.

Селективное "выключение" нормальной (немутированной) версии этого гена позволило воспроизвести эффект мутации: растения с "нокаутированным" геном не накапливали липидные капельки. Добавление обратно немутированного гена восстанавливало накопление. "Этот эксперимент предоставил чёткие доказательства того, что стерол играет важнейшую роль в формировании масляных капель", — сказал Сю.

Учёные пошли дальше, изучив эффект мутаций в генах ферментов, работающих "выше по течению" в пути синтеза стерола, и измерив уровень стеролов у этих мутантов. Детальные исследования позволили определить конкретный тип стерола, дефицит которого приводит к низкому накоплению масла.

Мутации в тех же генах приводили к снижению накопления масла как в листьях, так и в семенах. В семенах, где липидные капли легче наблюдать, также были проведены количественные исследования их формы и размера. В совокупности результаты свидетельствуют об универсальной роли этого конкретного стерола в формировании липидных капель.

"Мы полагаем, что этот стерол жизненно важен для формирования микродомена в мембране ЭР, который участвует в образовании липидных капель. Дефицит стерола приводит к нарушению формирования такого микродомена", — пояснил Сю.

Теперь, зная, что происходит при выключении этих генов, учёные предполагают, что стратегии по их включению и усилению экспрессии могут стать одним из способов увеличения накопления масла в листьях, стеблях или семенах. Команда планирует исследовать эти стратегии в будущих экспериментах.