Биологи создали более крупные и прочные культуры для биотоплива и биопродуктов
Клеточные стенки растений не только обеспечивают поддержку и защиту, но и содержат богатые энергией биоматериалы, которые могут стать новыми источниками топлива, химикатов и материалов. Биологи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США изучают сложные генетические механизмы, регулирующие эту биомассу.
В исследовании, опубликованном в Plant Biotechnology Journal, команда идентифицировала растительный белок PtrbHLH011, играющий ключевую роль в трех важных биологических процессах у тополей:
- Реакция на дефицит железа
- Биосинтез клеточной стенки
- Синтез молекул, борющихся с болезнями (флавоноидов)
Ранее было обнаружено, что экспрессия гена PtrbHLH011 значительно снижается у растений, испытывающих стресс от недостатка железа, необходимого для фотосинтеза.
Результат "нокаута" гена
Для изучения функции белка коллабораторы из Университета Мэриленда создали растения тополя с "нокаутированным" (деактивированным) геном PtrbHLH011.
Растения с нокаутом показали удивительные изменения:
- Производили вдвое больше лигнина — жесткого компонента клеточной стенки, ценного для производства биопродуктов (цемент, клеи).
- Продемонстрировали усиленный рост, что необычно, так как увеличение лигнина обычно тормозит рост, отвлекая энергию.
- Накопили в три раза больше железа в листьях.
- Увеличили производство флавоноидов.
В противоположность этому, растения с сверхэкспрессией гена PtrbHLH011 имели признаки угнетения: замедленный рост, ослабленные клеточные стенки, повышенную чувствительность к болезням и пожелтение листьев.
Механизм и перспективы
PtrbHLH011 — это транскрипционный фактор, который связывается с ДНК и регулирует работу нескольких целевых генов. Исследователи предполагают, что трехкратное увеличение содержания железа в листьях усилило фотосинтез, что дало дополнительную энергию для роста и синтеза лигнина с флавоноидами.
Это открытие важно для:
- Биоэнергетики: создание культур, которые могут гипернакапливать железо и процветать на бедных почвах.
- Биозащиты: усиление устойчивости биоэнергетических растений к болезням за счет увеличения выработки флавоноидов.
- Биотехнологий: тонкая настройка экспрессии отдельных генов-мишеней PtrbHLH011 для точного контроля над конкретными процессами.
Исследование стало возможным благодаря интеграции возможностей нескольких объектов Управления науки Министерства энергетики США, включая Joint Genome Institute, Molecular Foundry, Центр функциональных наноматериалов (CFN) и Национальный источник синхротронного излучения II (NSLS-II).