Naukowcy z Brookhaven National Laboratory odkryli mutację, która powoduje, że normalne rośliny Arabidopsis (po lewej) mają niedobór sterolu (po prawej). Przeprowadzili rozległe eksperymenty genetyczne i biochemiczne, aby ustalić zasadniczą rolę sterolu w tworzeniu kropelek oleju. Źródło:Laboratorium Narodowe Brookhaven
Naukowcy identyfikują sterol niezbędny do akumulacji oleju w roślinach
Naukowcy, którzy chcą rozwikłać szczegóły, w jaki sposób rośliny produkują i gromadzą olej, zidentyfikowali nowy zasadniczy element linii montażowej. Odkryli szczególny sterol – cząsteczkę związaną z cholesterolem – która odgrywa kluczową rolę w tworzeniu kropelek oleju.
„Badania te znacznie poszerzają naszą wiedzę na temat czynników molekularnych, które rządzą formowaniem się kropelek lipidów, które są niezbędnymi organellami do przechowywania i metabolizmu oleju we wszystkich organizmach eukariotycznych” – powiedział Changcheng Xu, biolog z Brookhaven National Laboratory w amerykańskim Departamencie Energii. który prowadził badanie. Wyniki opublikowane w Nature Communications , może sugerować nowe sposoby modyfikowania zawartości oleju w różnych tkankach roślinnych.
Changcheng Xu, biolog laboratoryjny z Brookhaven, i jego zespół badali sposoby na to, aby rośliny gromadziły więcej olejków w liściach i łodygach, czyli obfitych tkankach wegetatywnych, które można by zebrać do zastosowań bioenergetycznych. Źródło:Laboratorium Narodowe Brookhaven
Prace mogą być szczególnie ważne dla opracowania strategii inżynierii genetycznej mających na celu zwiększenie zawartości oleju w liściach i łodygach. Naukowcy twierdzą, że te tkanki roślinne zwykle nie gromadzą oleju, ale można je zaprojektować jako obfite źródło zrównoważonych olejów do produkcji biopaliw i innych produktów towarowych.
Odkrycia dotyczą również akumulacji oleju w nasionach roślin, głównego miejsca, w którym oleje naturalnie gromadzą się w roślinach. Te naturalne zbiorniki olejów roślinnych zapewniają pożywienie dla zarodków i sadzonek roślin — a także zwierząt i ludzi.
„Odkryliśmy, że niedobór określonego rodzaju sterolu powoduje spadek akumulacji oleju w nasionach i liściach” – powiedział Xu.
Zielone światło dla produkcji ropy
Xu i jego zespół od lat pracują nad zwiększeniem akumulacji oleju w liściach i łodygach roślin.
„Liście w porównaniu z nasionami są znacznie bardziej obfite jako możliwy materiał bioenergetyczny” – zauważył. „Ponadto, ponieważ olej z nasion jest używany w żywności, pracujemy nad gromadzeniem oleju i innych bioproduktów towarowych w nienasiennych częściach roślin — takich jak liście i łodygi — aby uniknąć konkurencji między żywnością a paliwem”.
Kropelki świecą na zielono:naukowcy z Brookhaven Lab zaprojektowali rośliny Arabidopsis tak, aby wyrażały zielone fluorescencyjne białko przyłączone do oleozyny, białka, które stabilizuje kropelki lipidów (LD). W górnym rzędzie te LD są łatwe do wykrycia pod mikroskopem fluorescencyjnym w liściach roślin kontrolnych (po lewej), ale nie w liściach mutantów z niedoborem steroli (po prawej). Obrazy z mikroskopu elektronowego w dolnym rzędzie pokazują wzrost wielkości LD, ale spadek liczby LD w nasionach mutantów sterolowych. Źródło:Laboratorium Narodowe Brookhaven
Zespół poczynił pewne postępy w uzyskiwaniu liści do akumulacji znacznych ilości oleju, korzystając z powszechnej rośliny laboratoryjnej Arabidopsis.
Opracowali zgrabny sposób śledzenia akumulacji oleju. Dzięki inżynierii genetycznej stworzyli rośliny Arabidopsis, w których zielone białko fluorescencyjne jest zawsze przyłączone do białka zwanego oleozyną. Oleozyna gromadzi się tylko na powierzchni kropelek lipidowych. Stanowi część membrany otaczającej te przedziały do przechowywania oleju w komórkach, aby pomóc w ich stabilizacji. Jeśli próbka tkanki roślinnej – liścia, łodygi lub nasiona – zawiera kropelki lipidów, pod mikroskopem fluorescencyjnym wyróżniają się one jako małe zielone kropki.
„Potraktowaliśmy nasze rośliny Arabidopsis mutagenem, aby spróbować wywołać mutacje, które zwiększyłyby akumulację oleju”, powiedział Xu, używając techniki fluorescencji do identyfikacji szczepów z większą liczbą i/lub większymi zielonymi kropkami.
Jak na ironię, dokonali odkrycia dotyczącego sterolu w szczepie Arabidopsis, który prawie nie gromadził oleju.
„Głównym celem obecnej pracy było ustalenie, która modyfikacja genetyczna spowodowała ten dramatyczny spadek akumulacji oleju” – powiedział Xu. „Pomyśleliśmy, że wyśledzenie tego genu może dać nam nowe geny/białka, które są ważne w tworzeniu lub akumulacji kropelek lipidów”.
Wskazówki dotyczące montażu wewnętrznego
W skali mikroskopowej naukowcy wiedzą, że kropelki lipidów tworzą się w „retikulum endoplazmatycznym” lub ER komórek. Jest to wewnętrzna sieć błon wewnątrz komórek (nie błony otaczającej komórkę), która działa jak swego rodzaju fabryka — składa i pakuje różne materiały, takie jak białka i lipidy.
Tworzenie kropelek oleju:Olej (żółty) gromadzi się między warstwami błony, która tworzy retikulum endoplazmatyczne (ER) — sieć błon w cytoplazmie komórek roślinnych. Kropelki rosną i ostatecznie zaciskają się, aby zostać zawieszone w cytoplazmie. Ale ten proces zachodzi tylko w niektórych mikrodomenach, które są bogate w sterole i oleozyny wzdłuż błony. Zespół Brookhaven stawia hipotezę, że sterol jest niezbędny do tworzenia tych mikrodomen tworzących kropelki. Źródło:Laboratorium Narodowe Brookhaven
Kropelki magazynujące lipidy tworzą się, gdy olej zaczyna gromadzić się między dwiema warstwami błony ER, ale tylko w niektórych obszarach ER. W końcu, gdy jest wystarczająca ilość oleju, małe kawałki membrany zaciskają się, pozostawiając olej zamknięty w samodzielnych przedziałach.
Jak pokazuje badanie w Brookhaven, badanie rośliny, która nie akumuluje tych kropelek lipidów, może dostarczyć wskazówek dotyczących czynników biochemicznych, które napędzają ten proces – i tego, co jest wyjątkowe w poszczególnych domenach ER, w których występuje.
Zerowanie na genie
Aby dowiedzieć się, która mutacja spowodowała dramatyczny spadek akumulacji oleju, zespół Brookhaven zastosował technikę znaną jako klonowanie pozycyjne – sposób przeszukiwania każdego regionu chromosomów w celu wskazania konkretnego genu, który jest odpowiedzialny za daną cechę. Technika zawęziła poszukiwania do określonego regionu w jednym z chromosomów rośliny.
„Ten region wciąż zawiera setki genów kandydujących” – powiedział Xu.
Po zastosowaniu sekwencjonowania całego genomu w poszukiwaniu jakiejkolwiek mutacji w tym regionie, zespół zidentyfikował gen, który podejrzewał o udział. Gen koduje enzym odpowiedzialny za jeden biochemiczny etap w wieloetapowej syntezie sterolu, cząsteczki związanej z cholesterolem znajdującej się w ER i innych błonach komórkowych.
Poprzez selektywne „nokautowanie” normalnej (niezmutowanej) wersji tego genu, naukowcy byli w stanie powielić efekt mutacji. Oznacza to, że rośliny z usuniętym genem nie gromadziły kropelek lipidów. Ponadto dodanie niezmutowanego genu przywróciło akumulację kropli oleju.
„Ten eksperyment dostarczył wyraźnych dowodów na to, że sterol odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu kropelek oleju” – powiedział Xu.
Ale naukowcy poszli dalej. Zbadali również, co by się stało, gdyby zmutowali geny enzymów „powyżej” tego konkretnego enzymu w wieloetapowej ścieżce syntezy steroli. Zmierzyli też poziom steroli u tych mutantów.
Szczegółowe badania pozwoliły im skupić się na konkretnym typie sterolu, którego niedobór powoduje niską akumulację oleju.
Mutacje w tych samych genach spowodowały zmniejszenie akumulacji oleju w liściach i nasionach. W nasionach, gdzie kropelki lipidów są lepiej widoczne, naukowcy przeprowadzili również badania ilościowe nad ich kształtami i rozmiarami.
Razem wyniki dostarczają dowodów na uniwersalną rolę tego konkretnego sterolu w tworzeniu kropelek lipidów.
„Uważamy, że ten sterol jest niezbędny do tworzenia mikrodomeny w błonie ER, która bierze udział w tworzeniu kropelek lipidów” – powiedział Xu. „Niedobór sterolu powoduje defekt w tworzeniu takiej mikrodomeny”.
Teraz, gdy wiedzą, co się dzieje, gdy te geny są wyłączone, naukowcy sugerują, że strategie ich włączenia i zwiększenia ekspresji mogą być jednym ze sposobów na zwiększenie akumulacji oleju w liściach, łodygach lub nasionach.
Zespół będzie badał te strategie w przyszłych eksperymentach.
Odniesienie:„Sterole są wymagane do skoordynowanego łączenia kropelek lipidów w rozwijających się nasionach” Linhui Yu, Jilian Fan, Chao Zhou i Changcheng Xu, 22 września 2021 r., Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-021-25908-6
Ta praca została sfinansowana przez DOE Office of Science (BES).
