Растительные клетки «поедают» собственные мембраны и липидные капли

Биохимики из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США обнаружили два способа, которыми аутофагия (самопоедание) контролирует уровень масел в растительных клетках. Исследование, опубликованное в The Plant Cell 29 апреля 2019 года, описывает, как этот процесс помогает растениям выживать, и раскрывает механизмы, которые можно использовать для увеличения накопления масла.

Растения обычно запасают масло в семенах. Накопление большего количества масла в вегетативных тканях (листьях, стеблях и корнях) сделало бы растения более полезными в качестве энергетических культур. Такое масло можно было бы использовать как биодизельное топливо или сжимать биомассу для выработки энергии.

«Если вы хотите увеличить накопление масла, нужно понимать, как оно синтезируется и как сохраняется в тканях», — пояснил руководитель исследования Чанчэн Сюй. — «Наше исследование показывает, что аутофагия играет две основные роли в балансе масла: она важна для биосинтеза липидных капель (формы хранения масла) и для их расщепления, когда растениям нужна энергия».

Клеточная переработка

Аутофагия — это универсальный клеточный процесс переработки. Клетки доставляют ненужные материалы (старые или поврежденные органеллы, патогены) в специальные отсеки — вакуоли (у растений) или лизосомы (у млекопитающих). Там мощные ферменты расщепляют отходы, высвобождая строительные блоки для повторного использования.

Исследование Сюя показало, что некоторые из этих блоков — жирные кислоты, которые попадают в липидные капли.

Эксперимент с мечеными атомами

Команда использовала генетически модифицированные растения, накапливающие масло в листьях. Клеткам этих растений давали предшественники жирных кислот, меченные радиоактивным углеродом ^14^C.

Оказалось, что меченые жирные кислоты не включаются напрямую в липидные капли. Сначала они становятся частью клеточных мембран. Аутофагия доставляет старые органеллы с их липидными мембранами в вакуоль для деградации. Высвобожденные из мембран жирные кислоты затем попадают в липидные капли.

Ключевое подтверждение: Отключение генов, необходимых для аутофагии, снизило накопление липидных капель на 70%.

Аутофагия при голодании

Ученые также исследовали, могут ли растения, как дрожжи и клетки млекопитающих, расщеплять липидные капли через аутофагию при голодании. Растения поместили в темноту, лишив их фотосинтеза.

С помощью конфокального микроскопа в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвена ученые отследили процесс, используя флуоресцентные маркеры:

• Липидные капли — зеленый.
• Мембрана вакуоли — красный.

Изображения ясно показали, как вакуоли поглощают целые липидные капли. Ученые заблокировали деградацию внутри вакуоли, чтобы зафиксировать момент «проглатывания».

Когда гены аутофагии были отключены, вакуоли не могли поглотить капли, и те накапливались в цитоплазме.

Перспективы для биоэнергетики

Накопление непереваренных липидных капель может быть вредно для голодающих растений, но это указывает на путь к увеличению запасов масла в биоэнергетических культурах.

«Предстоит узнать много деталей о том, как происходит этот процесс, — сказал Сюй. — Но если мы обнаружим задействованные сигналы, мы сможем управлять процессом, чтобы растения производили и запасали больше жирных кислот — основных компонентов биодизеля. Эти знания также можно использовать для повышения стабильности липидных капель или создания растений, более устойчивых к стрессу. Это целая новая захватывающая область исследований!»