Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory hanno scoperto una mutazione che rende le normali piante di Arabidopsis (a sinistra) carenti di steroli (a destra). Hanno condotto ampi esperimenti genetici e biochimici per stabilire il ruolo essenziale dello sterolo nella formazione delle goccioline di olio. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati identificano lo sterolo essenziale per l'accumulo di petrolio nelle piante
Gli scienziati che cercano di svelare i dettagli di come le piante producono e accumulano petrolio hanno identificato un nuovo componente essenziale della catena di montaggio. Hanno scoperto un particolare sterolo, una molecola correlata al colesterolo, che svolge un ruolo chiave nella formazione delle goccioline d'olio.
"Questa ricerca estende notevolmente la nostra comprensione dei fattori molecolari che governano la formazione delle goccioline lipidiche, che sono organelli vitali per la conservazione e il metabolismo dell'olio in tutti gli organismi eucariotici", ha affermato Changcheng Xu, biologo presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che ha condotto lo studio. I risultati, pubblicati su Nature Communications , può suggerire nuovi modi per progettare il contenuto di olio di una varietà di tessuti vegetali.
Il biologo di laboratorio di Brookhaven Changcheng Xu e il suo team hanno esplorato modi per far sì che le piante accumulino più oli nelle foglie e negli steli, abbondanti tessuti vegetativi che potrebbero essere raccolti per applicazioni di bioenergia. Credito:Brookhaven National Laboratory
Il lavoro può essere particolarmente importante per informare le strategie di ingegneria genetica volte ad aumentare il contenuto di olio di foglie e steli. Questi tessuti vegetali di solito non accumulano petrolio, ma potrebbero essere progettati come una fonte abbondante di oli sostenibili per la produzione di biocarburanti e altri prodotti di base, affermano gli scienziati.
I risultati si applicano anche all'accumulo di olio nei semi delle piante, il luogo principale in cui gli oli si accumulano naturalmente nelle piante. Questi serbatoi naturali di oli vegetali forniscono nutrimento per embrioni e piantine di piante, nonché per animali e esseri umani.
"Abbiamo scoperto che una carenza di un particolare tipo di sterolo provoca un calo dell'accumulo di olio nei semi e nelle foglie", ha affermato Xu.
Semaforo verde per la produzione di petrolio
Xu e il suo team hanno lavorato per anni per aumentare l'accumulo di olio nelle foglie e negli steli delle piante.
"Le foglie rispetto ai semi sono molto più abbondanti come possibile materiale bioenergetico", ha osservato. "Inoltre, poiché l'olio nei semi viene utilizzato per il cibo, stiamo lavorando per accumulare petrolio e altri bioprodotti di base nelle parti non semi delle piante, come foglie e steli, per evitare la concorrenza tra cibo e carburante".
Le goccioline si illuminano di verde:gli scienziati del Brookhaven Lab hanno progettato piante di Arabidopsis per esprimere la proteina fluorescente verde attaccata all'oleosina, una proteina che stabilizza le goccioline lipidiche (LD). Nella riga superiore, questi LD sono facili da individuare al microscopio a fluorescenza nelle foglie delle piante di controllo (a sinistra) ma non nelle foglie dei mutanti carenti di steroli (a destra). Le immagini al microscopio elettronico della riga inferiore mostrano un aumento delle dimensioni di LD ma una diminuzione del numero di LD nei semi di mutanti di steroli. Credito:Brookhaven National Laboratory
Il team ha fatto alcuni passi avanti nel far sì che le foglie accumulino notevoli quantità di olio, utilizzando la comune pianta da laboratorio Arabidopsis.
Hanno sviluppato un modo accurato per monitorare l'accumulo di petrolio. Attraverso l'ingegneria genetica, hanno creato piante di Arabidopsis in cui una proteina fluorescente verde è sempre attaccata a una proteina chiamata oleosina. L'oleosina si accumula solo sulla superficie delle goccioline lipidiche. Fa parte della membrana che circonda questi compartimenti di stoccaggio dell'olio all'interno delle cellule per aiutarli a stabilizzarli. Se un campione di tessuto vegetale (foglia, stelo o seme) contiene goccioline lipidiche, esse risaltano come piccoli punti verdi al microscopio a fluorescenza.
"Abbiamo trattato le nostre piante di Arabidopsis con un mutageno per cercare di innescare mutazioni che aumenterebbero l'accumulo di olio", ha affermato Xu, utilizzando la tecnica della fluorescenza per identificare i ceppi con punti verdi più e/o più grandi.
Ironia della sorte, hanno fatto la loro scoperta sullo sterolo in un ceppo di Arabidopsis che non accumulava quasi olio.
"Lo scopo principale del lavoro in corso era capire quale modificazione genetica ha causato questo drammatico calo dell'accumulo di petrolio", ha detto Xu. "Pensavamo che rintracciare questo gene potesse darci alcuni nuovi geni/proteine che sono importanti nella formazione o nell'accumulo di goccioline lipidiche."
Indizi per l'assemblaggio interno
Su scala microscopica, gli scienziati sanno che le goccioline lipidiche si formano nel "reticolo endoplasmatico", o ER, delle cellule. Questa è una rete interna di membrane all'interno delle cellule (non la membrana che circonda la cellula) che agisce come una sorta di fabbrica, assemblando e confezionando vari materiali come proteine e lipidi.
Formazione di goccioline d'olio:l'olio (giallo) si accumula tra gli strati della membrana che forma il reticolo endoplasmatico (ER), una rete di membrane all'interno del citoplasma delle cellule vegetali. Le goccioline crescono e alla fine si staccano per rimanere sospese nel citoplasma. Ma questo processo avviene solo in alcuni microdomini ricchi di steroli e oleosine lungo la membrana. Il team di Brookhaven ipotizza che lo sterolo sia essenziale per la formazione di questi microdomini che formano le goccioline. Credito:Brookhaven National Laboratory
Le goccioline di accumulo di lipidi si formano quando l'olio inizia ad accumularsi tra i due strati della membrana ER, ma solo in alcune regioni dell'ER. Alla fine, quando è presente abbastanza olio, la membrana si stacca lasciando l'olio incapsulato in scomparti autonomi.
Come mostra lo studio di Brookhaven, lo studio di una pianta che non accumula queste goccioline lipidiche può offrire indizi sui fattori biochimici che guidano il processo e cosa rende unici i particolari domini ER in cui si verifica.
Azzerando il gene
Per capire quale mutazione ha innescato il drammatico calo dell'accumulo di petrolio, il team di Brookhaven ha utilizzato una tecnica nota come clonazione posizionale, un modo per cercare in ogni regione dei cromosomi per individuare un particolare gene responsabile di una caratteristica di interesse. La tecnica ha ristretto la ricerca a una regione specifica in uno dei cromosomi della pianta.
"Questa regione contiene ancora centinaia di geni candidati", ha detto Xu.
Dopo aver utilizzato il sequenziamento dell'intero genoma per cercare qualsiasi mutazione in questa regione, il team ha identificato un gene che sospettavano fosse coinvolto. Il gene codifica per un enzima responsabile di una fase biochimica nella sintesi multifase dello sterolo, una molecola correlata al colesterolo che si trova nell'ER e in altre membrane cellulari.
"eliminando" selettivamente la versione normale (non mutata) di questo gene, gli scienziati sono stati in grado di duplicare l'effetto della mutazione. Cioè, le piante con il gene eliminato non hanno accumulato goccioline lipidiche. Inoltre, l'aggiunta del gene non mutato ha ripristinato l'accumulo di goccioline di olio.
"Questo esperimento ha fornito prove evidenti del fatto che lo sterolo svolge un ruolo essenziale nella formazione di goccioline d'olio", ha affermato Xu.
Ma gli scienziati sono andati oltre. Hanno anche studiato cosa accadrebbe se mutassero i geni per gli enzimi "a monte" di questo particolare enzima nel percorso di sintesi degli steroli in più fasi. E hanno misurato i livelli di steroli in questi mutanti.
Gli studi dettagliati hanno permesso loro di concentrarsi sul tipo specifico di sterolo che, quando carente, si traduce in un basso accumulo di olio.
Le mutazioni negli stessi geni hanno comportato un ridotto accumulo di olio nelle foglie e nei semi. Nei semi, dove le goccioline lipidiche sono più facili da vedere, gli scienziati hanno anche condotto studi quantitativi sulle loro forme e dimensioni.
Insieme, i risultati forniscono la prova di un ruolo universale per questo particolare sterolo nella formazione di goccioline lipidiche.
"Riteniamo che questo sterolo sia vitale per la formazione di un microdominio nella membrana ER che è coinvolto nella formazione di goccioline lipidiche", ha detto Xu. "La carenza di steroli si traduce in un difetto nella formazione di un tale microdominio."
Ora che sanno cosa succede quando questi geni vengono disattivati, gli scienziati suggeriscono che le strategie per attivarli e aumentare la loro espressione potrebbero essere un modo per aumentare l'accumulo di olio in foglie, steli o semi.
Il team esplorerà queste strategie in esperimenti futuri.
Riferimento:"Gli steroli sono necessari per l'assemblaggio coordinato delle goccioline lipidiche nello sviluppo dei semi" di Linhui Yu, Jilian Fan, Chao Zhou e Changcheng Xu, 22 settembre 2021, Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-021-25908-6
Questo lavoro è stato finanziato dal DOE Office of Science (BES).
