Важный этап формирования древесины продемонстрирован учёными Bio4Energy
Международная исследовательская группа Bio4Energy продемонстрировала важный этап формирования древесины: часть растений образуется только после гибели составляющих их клеток. По словам руководителя группы Эдуарда Песке из Университета Умео, это открытие — важный шаг в понимании того, как строится древесина и, в свою очередь, как её можно разобрать для создания биопродуктов.
Команда Песке в Центре наук о растениях Умео с помощью комбинации методов проследила формирование лигнина в сосудах, по которым вода и питательные вещества транспортируются у двух модельных растений.
Лигнин — один из двух самых распространённых полимеров в растениях, придающий жёсткость их стеблям и листьям. В статье в престижном журнале The Plant Cell исследователи показывают, что в стенках так называемых ксилемных сосудов лигнин образуется только после того, как клетки-хозяева «совершают самоубийство».
«Древесная клетка убьёт себя и [вместе с другими погибшими клетками] станет цилиндром — гидро-минеральный сок проводится в пустоте внутри древесных сосудов, созданной клеточным суицидом. Усиление проводящей структуры затем происходит посмертно, позволяя боковой клеточной стенке дерева подвергнуться лигнификации», — пояснил доцент Песке.
Исследование также показало, что этому процессу способствуют окружающие «нелигнифицированные» клетки.
Определена последовательность отложения лигноцеллюлозной биомассы
«Впервые определена последовательность отложения лигноцеллюлозной биомассы в древесной ткани. Понимание того, как что-то собирается, имеет первостепенное значение для оптимизации того, как это разобрать», — сказал биолог.
Два использованных модельных растения — Zinnia elegans и Arabidopsis thaliana — являются стандартными объектами для исследований древесного сырья, поскольку обладают характеристиками, сходными с деревьями. Проводящие клетки этих растений, транспортирующие сок по ксилемным сосудам, похожи на клетки хвойных пород, таких как ель и сосна — ключевых производственных видов в бореальном поясе, к которому относятся леса северной Швеции.
«Это исследование демонстрирует новое понимание лигнификации древесных клеток», — отметил Песке, добавив, что оно порождает «необходимость рассматривать древесную биомассу по-другому».
«Главный рекальцитрантный фактор» — следует удалять первым
Действительно, исследователи в области биопереработки давно ломают голову над лигнином как «главным рекальцитрантным фактором» древесины. Много исследований посвящено попыткам отделить его от другого главного биополимера — целлюлозы, часто путём модификации лигнина. В целлюлозно-бумажной промышленности и при производстве биотоплива традиционно стремятся извлечь целлюлозу, которая в чистом виде даёт ценные сахара для получения биоэтанола или биоматериалов.
Однако из-за прочной связи лигнина с целлюлозой (и с родственным полимером гемицеллюлозой) это сделать непросто. Это заставляет химиков и биологов искать способы модификации лигнина, чтобы сделать процесс разделения менее энергоёмким и, следовательно, более рентабельным.
Но избавляться от лигнина полностью не хотят; он позволяет растениям стоять и может быть ценным сырьём в биопереработке.
«Дереву он нужен для функционирования. Поэтому гибель проводящих клеток ксилемы очень важна. Нельзя забывать, что первичная функция древесины — быть сосудистой системой. [В то же время] лигнин — главный рекальцитрантный фактор. Теперь мы знаем, что он откладывается в древесине последним. Если бы он интегрировался в матрицу с целлюлозой, удалить его было бы гораздо сложнее… Лигнин добавляется последним, поэтому его следует удалять первым», — сказал Песке.
Песке, заснявший гибель клеток ксилемы на видео и назвавший этот процесс «красивым», представит это «прорывное» исследование на встрече по клеточной стенке в июле, организованной Французским национальным институтом сельскохозяйственных исследований в Нанте.
Статья в The Plant Cell озаглавлена «Non-Cell-Autonomous Postmortem Lignification of Tracheary Elements in Zinnia elegans».