Forskare från Brookhaven National Laboratory upptäckte en mutation som gör att normala Arabidopsis-växter (vänster) har brist på sterol (höger). De gjorde omfattande genetiska och biokemiska experiment för att fastställa sterols viktiga roll i bildandet av oljedroppar. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Forskare ID Sterol Essential för oljeackumulering i växter
Forskare som försöker reda ut detaljerna om hur växter producerar och ackumulerar olja har identifierat en ny väsentlig komponent i löpande bandet. De upptäckte en viss sterol - en molekyl relaterad till kolesterol - som spelar en nyckelroll i bildandet av oljedroppar.
"Denna forskning utvidgar avsevärt vår förståelse av de molekylära faktorerna som styr bildandet av lipiddroppar, som är viktiga organeller för oljelagring och metabolism i alla eukaryota organismer", säger Changcheng Xu, biolog vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory. som ledde studien. Resultaten, publicerade i Nature Communications , kan föreslå nya sätt att konstruera oljeinnehållet i en mängd olika växtvävnader.
Brookhavens labbbiolog Changcheng Xu och hans team har undersökt sätt att få växter att samla fler oljor i löv och stjälkar, rikligt med vegetativ vävnad som skulle kunna skördas för bioenergitillämpningar. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Arbetet kan vara särskilt viktigt för att informera om genteknikstrategier som syftar till att öka oljeinnehållet i blad och stjälkar. Dessa växtvävnader samlar vanligtvis inte olja, men de skulle kunna konstrueras som en riklig källa till hållbara oljor för att göra biobränslen och andra råvaror, säger forskarna.
Fynden gäller också ackumulering av olja i växtfrön, den huvudsakliga platsen oljor ackumuleras naturligt i växter. Dessa naturliga reservoarer av växtoljor ger näring åt växtembryon och plantor – såväl som djur och människor.
"Vi fann att en brist på en viss typ av sterol orsakar en minskning av oljeansamlingen i frön och blad", sa Xu.
Grönt ljus för oljeproduktion
Xu och hans team har arbetat i flera år för att öka oljeansamlingen i växternas blad och stjälkar.
"Löv jämfört med frön är mycket rikligare som ett möjligt bioenergimaterial," noterade han. "Eftersom oljan i frön används för mat, arbetar vi också med att samla olja och andra råvarubioprodukter i delar av växter som inte är frödelar - som löv och stjälkar - för att undvika konkurrens mellan mat och bränsle."
Droppar lyser grönt:Brookhaven Lab-forskare konstruerade Arabidopsis-växter för att uttrycka grönt fluorescerande protein fäst till oleosin, ett protein som stabiliserar lipiddroppar (LD). I den övre raden är dessa LD:er lätta att upptäcka under ett fluorescerande mikroskop i löv på kontrollväxter (vänster) men inte i blad av mutanter som saknar steroler (höger). Elektronmikroskopiska bilder på den nedre raden visar en ökning i LD-storlek men en minskning av LD-antal i frön av sterolmutanter. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Teamet har tagit några framsteg i att få löv att samla på sig betydande mängder olja, med hjälp av den vanliga laboratorieväxten Arabidopsis.
De utvecklade ett snyggt sätt att spåra oljeansamling. Genom genteknik skapade de Arabidopsis-växter där ett grönt fluorescerande protein alltid är fäst vid ett protein som kallas oleosin. Oleosin ackumuleras endast på ytan av lipiddroppar. Det utgör en del av membranet som omger dessa oljelagringsfack i cellerna för att hjälpa till att stabilisera dem. Om ett prov av växtvävnad – blad, stjälk eller frö – innehåller lipiddroppar, sticker de ut som små gröna prickar under ett fluorescensmikroskop.
"Vi behandlade våra Arabidopsis-växter med en mutagen för att försöka utlösa mutationer som skulle öka oljeackumuleringen," sa Xu och använde fluorescenstekniken för att identifiera stammar med fler och/eller större gröna prickar.
Ironiskt nog gjorde de sin upptäckt om sterol i en Arabidopsis-stam som ackumulerade nästan ingen olja.
"Huvudsyftet med det nuvarande arbetet var att ta reda på vilken genetisk modifiering som orsakade denna dramatiska minskning av oljeansamlingen," sa Xu. "Vi trodde att spårning av den här genen skulle kunna ge oss några nya gener/proteiner som är viktiga för bildning eller ackumulering av lipiddroppar."
Ledtrådar till interiör montering
I mikroskopisk skala vet forskare att lipiddroppar bildas i cellers "endoplasmatiska retikulum", eller ER. Det är ett internt nätverk av membran i celler (inte membranet som omger cellen) som fungerar som en sorts fabrik – sammansättning och förpackning av olika material som proteiner och lipider.
Bildande av oljedroppar:Olja (gul) ackumuleras mellan skikten av membranet som bildar det endoplasmatiska retikulumet (ER) – ett nätverk av membran i växtcellers cytoplasma. Droppar växer och nyper så småningom av för att bli suspenderade i cytoplasman. Men denna process sker bara i vissa mikrodomäner som är rika på steroler och oleosiner längs membranet. Brookhaven-teamet antar att sterol är avgörande för bildandet av dessa droppbildande mikrodomäner. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Lipidlagringsdroppar bildas när olja börjar ackumuleras mellan de två skikten av ER-membranet, men bara i vissa regioner av ER. Så småningom, när tillräckligt med olja finns närvarande, nyper de små membranbitarna av och lämnar oljan inkapslad i fristående fack.
Som studien vid Brookhaven visar, kan studier av en växt som inte ackumulerar dessa lipiddroppar ge ledtrådar till de biokemiska faktorerna som driver processen – och vad som är unikt med de särskilda ER-domänerna där den förekommer.
Nollställer genen
För att ta reda på vilken mutation som utlöste den dramatiska minskningen av oljeackumulering, använde Brookhaven-teamet en teknik som kallas positionell kloning - ett sätt att söka igenom varje region av kromosomerna för att lokalisera en viss gen som är ansvarig för en egenskap av intresse. Tekniken begränsade sökningen till en specifik region i en av växtens kromosomer.
"Denna region innehåller fortfarande hundratals kandidatgener," sa Xu.
Efter att ha använt hel-genomsekvensering för att söka efter någon mutation i denna region, identifierade teamet en gen som de misstänkte var inblandad. Genen kodar för ett enzym som är ansvarigt för ett biokemiskt steg i flerstegssyntesen av sterol, en molekyl relaterad till kolesterol som finns i ER och andra cellulära membran.
Genom att selektivt "slå ut" den normala (omuterade) versionen av denna gen, kunde forskarna duplicera effekten av mutationen. Det vill säga, växter med genen utslagen samlade inga lipiddroppar. Dessutom, genom att lägga tillbaka den omuterade genen återställdes oljedropparsamlingen.
"Detta experiment gav tydliga bevis för att sterol spelar en viktig roll för att bilda oljedroppar," sa Xu.
Men forskarna gick längre. De studerade också vad som skulle hända om de muterade gener för enzymer "uppströms" från detta specifika enzym i flerstegs sterolsyntesvägen. Och de mätte sterolnivåer i dessa mutanter.
De detaljerade studierna gjorde det möjligt för dem att nollställa den specifika typen av sterol som, när den saknas, resulterar i låg oljeackumulering.
Mutationer i samma gener resulterade i minskad oljeansamling i löv och frön. I frön, där lipiddroppar är lättare att se, genomförde forskarna också kvantitativa studier av deras former och storlekar.
Tillsammans ger resultaten bevis på en universell roll för just denna sterol vid bildning av lipiddroppar.
"Vi tror att denna sterol är avgörande för bildandet av en mikrodomän i ER-membranet som är involverad i bildandet av lipiddroppar," sa Xu. "Bristen på sterol resulterar i en defekt i bildandet av en sådan mikrodomän."
Nu när de vet vad som händer när dessa gener stängs av, föreslår forskarna att strategier för att aktivera dem och öka deras uttryck kan vara ett sätt att öka oljeansamlingen i blad, stjälkar eller frön.
Teamet kommer att utforska dessa strategier i framtida experiment.
Referens:"Steroler krävs för den samordnade sammansättningen av lipiddroppar i utvecklande frön" av Linhui Yu, Jilian Fan, Chao Zhou och Changcheng Xu, 22 september 2021, Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-021-25908-6
Detta arbete finansierades av DOE Office of Science (BES).
