Исследователи продвинулись в создании «папайя-сахарного тростника»
При созревании папайи (Carica papaya) её клеточные стенки разделяются, делая ткань мягче и легче усваиваемой. Содержимое клеток становится доступным, а сахароза в плоде легче извлекается. Недавно было обнаружено, что в корнях сахарного тростника происходит аналогичный процесс. Их клеточные стенки модифицируются в ходе развития, образуя заполненные газом межклеточные пространства в ткани, известной как аэренхима.
«Аэренхима очень распространена у культур, выращиваемых на затопленных полях, например, риса, поскольку она поддерживает их или позволяет им плавать в воде, а также даёт возможность погружённым частям растения дышать кислородом и выделять углекислый газ», — пояснил Маркос Баккеридж, профессор Института биологических наук Университета Сан-Паулу (IB-USP) в Бразилии.
В последние годы Баккеридж и его коллеги сосредоточились на изучении генов, участвующих в разделении клеток корня сахарного тростника, с целью создания трансгенных сортов, в которых этот процесс происходит в других частях растения, например, в стебле, где накапливаются биомасса и сахароза. Клеточные стенки таких сортов были бы такими же мягкими, как у папайи — отсюда и прозвище «папайя-сахарный тростник», — и их было бы легче деградировать для крупномасштабного производства биоэтанола второго поколения (получаемого из биомассы).
Исследователи из Национального института науки и технологий биоэтанола Бразилии в партнёрстве с Национальным советом по научно-технологическому развитию (CNPq) сделали важный шаг в этом направлении. Вместе с коллегами из других университетов и научных учреждений Бразилии и за рубежом они описали первые последовательности генов, участвующих в разделении клеток корня сахарного тростника, и выяснили их функции в этом процессе. Результаты исследования опубликованы в Journal of Experimental Botany.
«Если нам удастся стимулировать разделение клеточных стенок в стебле сахарного тростника, это позволит не только сократить количество ферментных коктейлей, используемых для ферментативного гидролиза [деградации углеводов в отходах и жоме сахарного тростника и их превращения в ферментируемый сахар] для получения этанола второго поколения, но и увеличить извлечение сахарозы», — заявил главный исследователь Баккеридж.
Первый шаг
Исследователи секвенировали два гена, считающихся важными для начальных стадий развития аэренхимы в корнях сахарного тростника. Первый — scRAV1, кодирующий транскрипционный фактор RAV, который контролирует старение листьев растений. Второй — scEPG1, кодирующий эндополигалактуроназу (EPG) — фермент, разрушающий пектин, удерживающий клетки вместе, тем самым способствуя разделению клеток и размягчению ткани плода через образование аэренхимы.
Из-за сложности генома сахарного тростника, который имеет несколько копий каждой хромосомы и множество вариантов каждого гена, оба гена были секвенированы из 17 искусственных бактериальных хромосомных клонов, содержащих геномные области, гомологичные сорту сахарного тростника R570. Последовательности генов сравнили с соответствующими областями Sorghum bicolor (геном сорго тесно напоминает геном сахарного тростника). Схожая последовательность каждого из двух генов была экспрессирована в листьях табака для проведения трансактивационных анализов, чтобы увидеть, какие другие гены они активируют.
«Табак легко трансформировать генетически, и он служит моделью для демонстрации того, как на самом деле работают подобные механизмы», — отметил Баккеридж.
Анализ геномных областей и трансактивационных анализов показал, что scRAV1 контролирует раннюю деградацию пектина во время образования аэренхимы в корнях сахарного тростника, а белок, продуцируемый scRAV1, связывается с промотором scEPG1, блокируя транскрипцию этого гена.
«Наши результаты прокладывают путь к использованию биотехнологий для генетической манипуляции сахарным тростником с целью увеличения производства этанола второго поколения», — сказал Баккеридж.
Исследователи создали сорт сахарного тростника с усиленной экспрессией scRAV1. Они также обнаружили микроРНК (молекулу, регулирующую экспрессию генов), способную специфически ингибировать scRAV1 и стимулировать экспрессию scEPG1 по всему растению.
«В этом генетически трансформированном сорте мы начинаем видеть то, что кажется размягчением клеточной стенки сахарного тростника, похожим на желаемый эффект. Стебли некоторых растений, например, не могут оставаться в вертикальном положении. Это может быть первым шагом к созданию папайя-сахарного тростника», — заключил Баккеридж.