Открытие в тополях может изменить будущее энергетики и биоматериалов
Исследователи из Университета Миссури совместно с учёными из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета Джорджии обнаружили, как тополя естественным образом регулируют ключевой аспект химии своей древесины в зависимости от изменений окружающей среды. Это открытие может помочь в создании лучших биотоплив и других устойчивых продуктов.
Исследование "Factors underlying a latitudinal gradient in S/G lignin monomer ratio in natural poplar variants" опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Лигнин — это обильное природное вещество, содержащееся почти в каждом растении. Он помогает растениям сохранять вертикальное положение, перемещать воду и защищаться от перепадов температур и других факторов окружающей среды.
"Лигнин действует и как клей, и как броня — он скрепляет всё вместе, одновременно защищая растение от внешних стрессоров", — говорит Хайме Баррос-Риос, доцент молекулярной биологии растений.
Почему тополя?
Тополя уже используются в целлюлозно-бумажной промышленности, а теперь исследуются как источник биоэнергии — топлива, пластиков и других биопродуктов, производимых из растений, а не из нефти.
Геном тополей полностью картирован. Это позволило команде Баррос-Риоса обнаружить, что химический состав лигнина меняется в зависимости от широты произрастания дерева.
Учёные изучили 430 образцов древесины вида Populus trichocarpa, который растёт в западной части Северной Америки. Деревья в более тёплом климате производили лигнин с более высоким соотношением сирингила к гваяцилу (S/G) — двух ключевых химических "строительных блоков" (мономеров) — по сравнению с деревьями из более холодного климата.
"Это соотношение S/G влияет на свойства древесины и напрямую определяет, насколько легко лигнин можно расщепить и переработать для создания биотоплива и множества повседневных продуктов", — поясняет Вэйвэй Чжу, ведущий автор исследования.
Неожиданные открытия
Команда использовала 3D-компьютерное моделирование и выявила мутацию в важном ферменте клеточной стенки — лакказе, — которая контролирует соотношение S/G в естественной популяции тополей.
К удивлению учёных, мутация находилась не в активном центре белка. Это говорит о том, что отложение лигнина в естественных условиях может регулироваться ещё не охарактеризованными сигнальными путями.
"Это указывает на более сложную регуляцию, чем мы думали изначально, и даёт новые подсказки о том, как деревья адаптируются и защищаются", — отмечает Рэйчел Вебер, построившая модель.
В другом неожиданном открытии команда обнаружила следовые количества редкой формы лигнина — C-лигнина — в тополях. Ранее считалось, что C-лигнин присутствует только в семенах некоторых растений, например, ванили и кактусов.
Поскольку C-лигнин проще и однороднее обычного лигнина, его легче расщепить и переработать в полезный растительный материал для биопластиков, биотоплива и других возобновляемых продуктов.
"Этот тип лигнина может помочь нам более эффективно превращать растительную биомассу в ценные товарные химикаты", — говорит Баррос-Риос.
В настоящее время команда работает над генетической модификацией тополей и сои, чтобы они содержали больше C-лигнина, что облегчит переработку биомассы этих растений в биорефинериях следующего поколения.