Выведение улучшенных злаков для пищи и топлива

Исследователи из Центра устойчивой биоэнергетики (BSBEC) Совета по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC) обнаружили семейство генов, которое может помочь в выведении злаков с улучшенными свойствами для питания и производства биотоплива.

Исследование провела команда из Кембриджского университета и Rothamsted Research. Результаты опубликованы 17 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Эти гены важны для развития волокнистых, одревесневших частей злаков, таких как рис и пшеница. Учёные надеются, что, поняв, как работают эти гены, они смогут вывести, например, сорта зерновых, чьи волокнистые части приносят пользу для здоровья, или культуры, чья солома требует менее энергоёмкой переработки для производства биотоплива.

Большая часть энергии, запасённой в растениях, содержится в одревесневших частях. Мировое сельское хозяйство ежегодно производит миллиарды тонн этого материала при выращивании зерновых и других злаков, но эта энергия надёжно «заперта». Данное исследование открывает возможность создания многоцелевых культур, где зерно можно использовать для пищи и кормов, а солому — для эффективного производства энергии. Это важно для обеспечения устойчивого получения энергии из растений без конкуренции с производством продовольствия.

Профессор Пол Дюпре из Кембриджского университета объясняет: «В отличие от крахмалистых зёрен, энергия в одревесневших частях растений заперта и труднодоступна. Подобно тому, как коровам нужно пережёвывать жвачку и иметь четырёхкамерный желудок, чтобы извлечь достаточно энергии из травы, нам требуются энергоёмкие механические и химические процессы для производства биотоплива из соломы.

Мы надеемся создать сорта растений, чьи одревесневшие части отдают свою энергию гораздо легче — но без ущерба для структуры растения. Мы считаем, что один из способов — модифицировать гены, участвующие в образовании молекулы под названием ксилан — ключевого структурного компонента растений».

Ксилан — важный и широко распространённый компонент жёстких стенок, окружающих растительные клетки. Он удерживает другие молекулы на месте, помогая сделать растение прочным и жёстким. Эта жёсткость важна для растения, но «запирает» энергию, которую нам нужно извлечь для эффективного производства биоэнергии.

Злаки содержат существенно иную форму ксилана по сравнению с другими растениями. Команда хотела выяснить, что отвечает за это различие, и искала гены, которые активнее «включаются» у злаков, чем у модельного растения Arabidopsis. Обнаружив семейство генов GT61 в пшенице и рисе, учёные перенесли его в Arabidopsis, который в результате стал производить «злаковую» форму ксилана.

Доктор Роуэн Митчелл из Rothamsted Research продолжает: «Помимо добавления генов GT61 в Arabidopsis, мы также «выключили» эти гены в зерне пшеницы. И растения Arabidopsis, и зерно пшеницы выглядели нормально, несмотря на изменения в ксилане. Это говорит о том, что мы можем модифицировать ксилан, не нарушая его способности скреплять клеточные стенки. Это важно, поскольку означает, что есть возможность создавать сорта растений, которые сохраняют достаточную прочность для роста, но при этом обладают другими полезными свойствами, например, для производства биотоплива».

Жёсткие, волокнистые части растений также являются важным компонентом нашего рациона как клетчатка. Клетчатка играет установленную роль в здоровом питании, например, снижая уровень холестерина в крови. Команда уже показала, что изменение генов GT61 в зерне пшеницы влияет на свойства пищевых волокон, поэтому это исследование также открывает возможность выведения сортов зерновых для производства продуктов с улучшенной пользой для здоровья.

Данкан Эггар, руководитель направления биоэнергетики BBSRC, сказал: «Недавние отчёты подчеркнули важную роль, которую биоэнергетика может сыграть в удовлетворении наших будущих энергетических потребностей, но все они подчёркивают, что устойчивость должна быть первостепенной.

Ключевым моментом будет обеспечение возможности эффективно получать энергию из одревесневших источников, которые не должны конкурировать с продовольственным снабжением. Это исследование показывает, как, понимая фундаментальную биологию растений, мы можем думать о создании сортов сельскохозяйственных культур с полезными свойствами, специально предназначенных для использования в качестве источника энергии».