Генетическое открытие в растениях может повысить эффективность получения биотоплива

Генетики растений, включая Сэма Хейзена из Университета Массачусетса в Амхерсте и Сиобхан Брейди из Калифорнийского университета в Дэвисе, расшифровали генные регуляторные сети, контролирующие утолщение клеточной стенки за счет синтеза трех полимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.

Авторы отмечают, что самый жесткий полимер, лигнин, является "основным препятствием" для извлечения сахаров из растительной биомассы, которые можно использовать для производства биотоплива. Их открытие послужит "основой для понимания регуляции сложного, неотъемлемого компонента растений" и картой для будущих исследований по манипулированию процессами формирования полимеров для повышения эффективности производства биотоплива.

Эти три ключевых компонента, содержащиеся в растительных тканях — ксилеме, обеспечивают растениям механическую прочность и водонепроницаемость клеток, транспортирующих воду. Работая с модельным растением Arabidopsis thaliana, Хейзен, Брейди и коллеги исследовали, как большое количество взаимосвязанных транскрипционных факторов регулирует развитие ксилемы и утолщение клеточной стенки. Результаты были опубликованы в онлайн-версии журнала Nature 24 декабря.

В приглашенном комментарии журнала подчеркивается, что "понимание того, как контролируются относительные пропорции этих биополимеров в растительной ткани, открыло бы возможности для перепроектирования растений для использования в биотопливе". Исследование Хейзена, Брейди и коллег выявило сотни новых регуляторов и дает "значительное представление о регуляции дифференцировки клеток ксилемы".

В частности, используя системный подход для идентификации взаимодействий белок-ДНК, они проанализировали более 460 транскрипционных факторов, экспрессируемых в корневой ксилеме, на предмет их способности связываться с промоторами около 50 генов, участвующих в процессах производства компонентов клеточной стенки. Хейзен отмечает: "Это выявило высоко взаимосвязанную сеть из более чем 240 генов и более 600 взаимодействий белок-ДНК, о которых мы ранее не знали".

Они также обнаружили, что каждый ген клеточной стенки в регуляторной сети ксилемы связан в среднем с пятью различными транскрипционными факторами из 35 различных семейств регуляторных белков. Более того, многие транскрипционные факторы образуют неожиданно большое количество контуров прямой связи, совместно регулирующих гены-мишени.

Другими словами, вместо серии "включений-выключений", ведущих к конечному действию, такому как синтез целлюлозы, большинство белков, включая регуляторы клеточного цикла и дифференцировки, связываются напрямую с генами целлюлозы и с другими транскрипционными регуляторами. Это дает растениям огромное количество возможных комбинаций для реакции и адаптации к стрессам окружающей среды, таким как засоление или засуха.

Хотя это исследование позволило выявить узлы взаимодействия, использованные методы не позволили авторам точно определить, какие типы контуров прямой связи присутствуют в регуляторной сети ксилемы. Однако работа предлагает основу для будущих исследований, которые должны позволить найти способы манипулирования этой сетью и создания энергетических культур для производства биотоплива.