Wetenschappers identificeren sterolen die nodig zijn voor de ophoping van olie in planten

Wetenschappers die de details willen ontrafelen van hoe planten olie produceren en accumuleren, hebben een belangrijk nieuw onderdeel van de lopende band geïdentificeerd. Ze ontdekten een specifieke sterol – een cholesterol-gerelateerd molecuul – dat een sleutelrol speelt bij de vorming van oliedruppeltjes.

“Dit onderzoek vergroot ons begrip van de moleculaire factoren die de vorming van Vetten spray druppelsDit zijn vitale organellen voor olieopslag en metabolisme in alle eukaryoten, zei Changqing Xu, een bioloog bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, die het onderzoek leidde. Verbindingen met de natuur, kunnen nieuwe manieren voorstellen om het oliegehalte van een verscheidenheid aan plantenweefsels te manipuleren.

Het werk kan bijzonder belangrijk zijn voor het informeren van genetische manipulatiestrategieën die gericht zijn op het verhogen van het oliegehalte van bladeren en stengels. deze plantenweefsel Oliën stapelen zich meestal niet op, maar ze kunnen worden ontwikkeld als een overvloedige bron van duurzame oliën om biobrandstoffen en andere basisproducten te maken, zeggen wetenschappers.

De resultaten zijn ook van toepassing op olieophoping in Plant zaden, De belangrijkste plaats waar oliën zich van nature in planten ophopen. Deze natuurlijke reservoirs van plantaardige oliën leveren voeding aan plantenembryo’s en zaailingen – maar ook aan dieren en mensen.

“We ontdekten dat een tekort aan een bepaald type sterol een afname van de olieophoping in de zaden en bladeren veroorzaakt,” zei Xu.

Groen licht olieproductie

Xu en zijn team werken al jaren aan het verhogen van de olieophoping in bladeren en stengels van planten.

“Bladeren in vergelijking met zaden zijn overvloediger als potentiële bio-energiematerialen,” merkte hij op. “Ook omdat de olie in de zaden voor voedsel wordt gebruikt, stapelen we de olie en andere bio-producten op in de niet-zaaddelen van planten – zoals de bladeren en stengels – om concurrentie tussen voedsel en brandstof te voorkomen.”

Het team heeft enkele stappen gezet in Papieren krijgen om grote hoeveelheden olie op te hopen, met behulp van het gemeenschappelijke laboratorium van Arabidopsis.

Ze hebben een elegante manier ontwikkeld om olieophoping bij te houden. Door middel van genetische manipulatie hebben ze Arabidopsis-planten gecreëerd waar a groen fluorescerend eiwit Het is altijd gebonden aan een eiwit dat oleocine wordt genoemd. Oleosine hoopt zich alleen op op het oppervlak van lipidedruppeltjes. Het maakt deel uit van het membraan dat de intracellulaire olie-opslagdelen omringt om ze te helpen stabiliseren. Als een monster van plantenweefsel – bladeren, stengels of zaden – talgdruppeltjes bevat, vallen ze op als kleine groene stippen onder een fluorescerende microscoop.

“We behandelden Arabidopsis-planten met een mutageen om te proberen mutaties te induceren die de olieophoping zouden vergroten,” zei Xu, met behulp van de fluorescentietechniek om de stammen met meer en/of grotere groene vlekken te identificeren.

Ironisch genoeg deden ze hun ontdekking over sterolen in de Arabidopsis-stam die bijna geen olie ophoopte.

“Het belangrijkste doel van het huidige werk was om erachter te komen welke genetische modificatie deze significante vermindering van de olieophoping veroorzaakte,” zei Shaw. “We dachten dat het opsporen van dit gen ons een aantal nieuwe genen/eiwitten zou opleveren die belangrijk zijn bij de vorming of accumulatie van lipidedruppeltjes.”

Bewijs voor interne montage

Op microscopisch niveau weten wetenschappers dat zich lipidedruppeltjes vormen in het ‘endoplasmatisch reticulum’ of ER van cellen. Het is een intern netwerk van intracellulaire membranen (niet het membraan dat de cel omringt) dat als een soort fabriek fungeert en verschillende stoffen zoals eiwitten en lipiden verzamelt en mobiliseert.

Lipideopslagdruppels vormen zich wanneer olie zich begint op te hopen tussen de twee lagen van het ER-membraan, maar alleen in bepaalde delen van het ER. Uiteindelijk, wanneer er voldoende olie aanwezig is, breken de kleine delen van het membraan af en blijft de olie ingekapseld in op zichzelf staande compartimenten.

Zoals de studie in Brookhaven laat zien, kan het bestuderen van een plant waarin deze lipidedruppeltjes zich niet ophopen, aanwijzingen geven over de biochemische factoren die het proces aansturen – en wat uniek is voor de specifieke ER-domeinen waar ze voorkomen.

ondergang van het gen

Om erachter te komen welke mutatie de dramatische daling van de olieophoping veroorzaakte, gebruikte het team van Brookhaven een techniek die bekend staat als in situ klonen – een methode om elke regio van een chromosoom te doorzoeken om een ​​specifiek gen te identificeren dat verantwoordelijk is voor een kenmerk van belang. De techniek beperkte het zoeken tot een specifiek gebied in een van de chromosomen van de plant.

“Deze regio bevat nog honderden kandidaatgenen,” zei Xu.

Na het gebruik van sequencing van het hele genoom om naar een mutatie in deze regio te zoeken, identificeerde het team het gen waarvan vermoed werd dat het erbij betrokken was. Genetische codes voor het enzym dat verantwoordelijk is voor een enkele biochemische stap in de meerstapssynthese van sterol, een cholesterol-gerelateerd molecuul dat wordt aangetroffen in het ER en andere celmembranen.

Door selectief de normale (onontwikkelde) kopie van dit gen te “raken”, konden de wetenschappers het effect van de mutatie repliceren. Dit is het, de planten Met het afgetrokken gen hopen zich geen lipidedruppels op. Bovendien accumuleerde de toevoeging van het onontwikkelde gen de oliedruppeltjes.

“Dit experiment leverde duidelijk bewijs dat sterolen een essentiële rol spelen bij de vorming van oliedruppeltjes,” zei Shaw.

Maar wetenschappers zijn verder gegaan. Ze bestudeerden ook wat er zou gebeuren als ze genen zouden ontwikkelen voor enzymen “stroomopwaarts” van dat specifieke enzym in de meerstaps sterolsyntheseroute. Ze maten de niveaus van sterolen in deze mutaties.

Gedetailleerde studies stelden hen in staat zich te concentreren op een specifiek type sterol dat, bij een tekort, leidt tot verminderde olieophoping.

Mutaties in dezelfde genen resulteerden in verminderde ophoping van olie in bladeren en zaden. In de zaden, waar vetdruppels gemakkelijk te zien zijn, hebben wetenschappers ook kwantitatief onderzoek gedaan naar hun vormen en afmetingen.

Samen leveren de resultaten bewijs voor de wereldwijde rol van deze specifieke sterol bij de vorming van lipidedruppeltjes.

“Wij geloven dat deze sterol van vitaal belang is voor de vorming van microdomeinen in het ER-membraan dat betrokken is bij de vorming van lipidedruppeltjes,” zei Shaw. “een tekort aan sterolen Het leidt tot een defect in de vorming van zo’n kleine bol.”

Nu ze weten wat er met hen aan de hand is genen Wetenschappers suggereren dat strategieën om het aan te zetten en de expressie ervan te intensiveren een manier kunnen zijn om de olieophoping in bladeren, stengels of zaden te vergroten.

Het team zal deze strategieën in toekomstige experimenten onderzoeken.