Компьютерная модель семян раскрывает баланс между производством масла и белка у растений

Учёные из Национальной лаборатории Брукхевена Министерства энергетики США с помощью вычислительной модели, детально описывающей взаимосвязанные метаболические процессы растений, определили ключевые пути, которые, по-видимому, «способствуют» производству либо масел, либо белков. Исследование, опубликованное в Plant Physiology, может указать новые стратегии для смещения этого баланса в сторону увеличения выработки растительного масла.

Модель для масличной культуры

Исследование было сосредоточено на метаболизме семян рапса — культуры, выращиваемой в умеренном климате в основном для получения масла. Такие растительные масла используются во всём мире в пищевой, кормовой, химической промышленности и для производства биодизеля.

«Повышение содержания масла в семенах — главная цель для улучшения масличных культур, таких как рапс», — отметил биолог Брукхевена Йорг Швендер.

Сложная сеть реакций

Швендер и его коллега Джордан Хэй разработали детальную вычислительную модель, включающую 572 биохимические реакции, участвующие в центральном метаболизме рапса и/или синтезе масла в семенах. Модель учитывает организацию этих реакций в группы, их распределение по субклеточным компартментам и их взаимодействие. С её помощью учёные определили, какие метаболические пути должны усилиться, а какие — ослабнуть, чтобы превратить «низкомасличное» семя в «высокомасличное».

Такое изменение, вероятно, будет компромиссом между производством масла и белка, поскольку при ограниченных ресурсах углерода и энергии растение будет «оплачивать» возросшие затраты на синтез большего количества масла, сокращая вложения в белок семян.

Поиск ключевых мишеней

Вместо того чтобы манипулировать каждым путём по отдельности, модель постулирует существование семян с разным содержанием масла и белка, чтобы определить, какие из множества реакций «чувствительны» к изменениям в балансе масло/белок.

«Этот подход позволил нам сузить длинный список ферментативных реакций до относительно небольшого числа тех, что могут стать хорошими кандидатами для будущих экспериментальных исследований», — пояснил Швендер.

Из 572 реакций в модели 149 были определены как «чувствительные к белку», а 116 — как «чувствительные к маслу». Модель также позволяет количественно оценить степень чувствительности реакций и выявить «наиболее чувствительные» из них, что сужает круг возможных мишеней для генетической модификации.

Новые возможности

Некоторые реакции, идентифицированные моделью, подтверждают важность путей, уже известных по предыдущим исследованиям синтеза масла. Однако, по словам Швендера, некоторые реакции, выявленные моделью, ранее не связывались с балансом масло/белок, что открывает новое поле для открытий.

«Таким образом, эти инструменты моделирования могут указать путь к новым стратегиям перепроектирования биоэнергетических культур для повышения их продуктивности», — заключил учёный.