Новая генетическая стратегия предотвращения расщепления растительных масел для биотоплива и других продуктов

Биологи из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США продемонстрировали новый способ повышения содержания масла в листьях и семенах растений. Как описано в журнале New Phytologist, учёные определили и успешно изменили ключевые участки белка, защищающего вновь синтезированные капли масла. Генетические изменения по сути защищают сам белок-протектор, позволяя накапливаться большему количеству масла.

"Внедрение этой стратегии в биоэнергетические или масличные культуры может помочь удовлетворить растущий спрос на биодизельное топливо и/или питательные растительные масла", — заявил биохимик Джон Шэнклин, руководитель исследования.

Толкать, тянуть, защищать

Большая часть работы команды была сосредоточена на генетических стратегиях, которые биохимически "заставляют" растительные клетки производить больше масла и "направляют" это вновь синтезированное масло на хранение в липидные капли, а не на строительство новых частей растения.

"Но как только масло произведено, оно может быть расщеплено, и уровень накопления — это баланс между синтезом и расщеплением", — пояснил Шэнклин.

Поэтому учёные также использовали третий подход: увеличение производства белков, защищающих липидные капли от деградации.

Один из таких естественных защитных белков растений известен как олеозин. Олеозин встраивается в мембрану масляной капли, блокируя доступ ферментам-липазам, которые инициируют расщепление масла.

"Мы и другие исследователи обычно повышаем уровень этого небольшого белка для защиты липидных капель", — сказал Шэнклин.

Но сам олеозин может подвергаться деградации, что ограничивает его эффективность. Поэтому в новой работе команда Шэнклина задалась целью найти способ защитить самого защитника масла.

Удаление сигналов деградации

"Мы предположили, что если мы сможем идентифицировать и удалить части олеозина, которые распознают ферменты деградации — 'сигналы' деградации — мы сможем продлить жизнь олеозина и усилить накопление масла", — сказал ведущий автор Санкет Анаокар.

Используя подсказки из работ других групп, учёные создали варианты белка олеозина и протестировали их эффекты на листьях табака.

Команда изначально разработала варианты, изменяя все аминокислоты, предположительно участвующие в деградации олеозина. Затем они возвращали мутации по одной и искали наибольшие изменения в накоплении масла. В итоге это позволило идентифицировать несколько ключевых мутаций, которые сделали олеозин значительно более устойчивым к расщеплению.

"Эти изменения привели к накоплению вариантных форм олеозина до более высоких уровней — что, в свою очередь, более эффективно защищало масло, поэтому уровень масла также повышался", — сказал Шэнклин.

Растения, экспрессирующие наиболее успешную комбинацию генетических модификаций, накапливали на 54% больше масла в листьях и на 13% больше в семенах по сравнению с немодифицированными растениями.

Серендипитическая неожиданность

Одним неожиданным открытием стало то, что модификации для защиты масляных капель не оказали негативного влияния на рост растений или способность семян к прорастанию. Это было удивительно, потому что семенам растений необходимо расщеплять запасённое масло для питания прорастания и ранних стадий роста проростков — до тех пор, пока растение не укоренится и не отрастит достаточно листьев для запуска фотосинтеза.

"Изначально мы опасались, что предотвращение расщепления масла во время развития семян будет препятствовать этому процессу 'укоренения'", — сказал Шэнклин. "Но мы обнаружили, что укоренение не затрагивается вариантами олеозина. Это говорит нам о том, что на ранних стадиях роста растение использует другой механизм для расщепления масла, чтобы проростки могли получить доступ к запасённой энергии.

"Мы пока не знаем, что это за процесс, но он позволяет нам использовать варианты олеозина для увеличения накопления масла в вегетативных тканях и семенах без ущерба для роста проростков", — заключил Шэнклин.