Учёные раскрыли ключевые компоненты комплекса синтазы ксилана в рисе

Ксилан — это основной сшивающий полисахарид в клеточных стенках семенных растений, обладающий высоким структурным разнообразием и клеточной специфичностью в отношении полимеризации цепи, боковых ответвлений и модификаций.

Группа китайских учёных недавно сообщила, что Xylan O-AcetylTransferase 6 (XOAT6) усиливает полимеризацию и сворачивание ксилана, формируя комплекс с IRregular Xylem10 (IRX10), тем самым регулируя прочность стенки и рекальцитрантность (устойчивость к разложению) у риса.

Результаты исследования были опубликованы в The Plant Cell 12 декабря.

Точная сборка структурных полисахаридов фундаментальна для формирования архитектуры растений, поскольку они образуют сложные сети, необходимые для механической поддержки, морфогенеза и рекальцитрантности биомассы.

Ксиланы включают большую часть ацетильных эфиров в клеточную стенку, которые определяют сворачивание ксилана и влияют на его взаимодействие с целлюлозой, лигнином и другими компонентами стенки. Для этого растения развили сложные механизмы контроля синтеза ксилана на нескольких уровнях, включая формирование белковых комплексов.

Идентификация комплекса трансмембранных белков всегда является сложной задачей. После нескольких лет усилий и многочисленных попыток группам Чжан Баокая и Чжоу Ихуа из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук и их коллегам удалось идентифицировать компоненты XSC (ксилан-синтазного комплекса), проведя анализ co-fractionation mass spectrometry на мембранных белках, экстрагированных из междоузлий риса.

Они обнаружили, что XOAT6 кофракционирует с IRX10 — подтверждённой ксилан-синтазой риса. Дальнейшие эксперименты, включая анализ luciferase complementation и co-immunoprecipitation, подтвердили, что IRX10 и XOAT6 взаимодействуют напрямую.

Генетический анализ показал, что мутанты с дефицитом IRX10 и XOAT6 демонстрировали схожие фенотипы, включая сниженное содержание ацетильных эфиров и ксилозы, что приводило к хрупкости. Примечательно, что двойной мутант показал аддитивные эффекты по этим фенотипам, что стало генетическим доказательством ключевой роли XOAT6 и IRX10 в составе XSC.

In vitro биохимические анализы продемонстрировали, что XOAT6 функционирует как настоящая ксилан-ацетилтрансфераза. Интересно, что исследователи обнаружили, что рекомбинантный белок XOAT6 может усиливать удлинение остова ксилана, опосредованное IRX10, и это усиление не зависит исключительно от его ацетилтрансферазной активности.

Для получения доказательств на уровне отдельных молекул в исследовании использовали fluorescence correlation spectroscopy для визуализации процесса полимеризации ксилоолигомеров.

Кроме того, такие методы, как solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy, field emission scanning electron microscopy и анализ nanoindentation, показали, что XOAT6 и IRX10 жизненно важны для сворачивания ксилана и организации нанофибрилл целлюлозы, тем самым внося вклад в механическую прочность клеточной стенки.

Более того, мутации в XOAT6 и/или IRX10 значительно улучшили эффективность сахарификации в анализах без кислотной предобработки, что указывает на потенциальное практическое применение этих открытий.

Это исследование углубляет понимание синергетических механизмов биосинтеза ксилана, в частности координации полимеризации остова и ацетилирующих модификаций. Результаты также предлагают инструмент для дизайна признаков сельскохозяйственных культур, утилизации биомассы и искусственного синтеза полисахаридов.