Что регулирует углеродный баланс в листьях растений?

В растениях углерод запасается двумя основными способами: в виде крахмала, который откладывается в хлоропластах листьев и служит доступным энергетическим резервом, и в форме триацилглицеролов (TAG), обычно накапливаемых в семенах для долгосрочного хранения. Однако попытки увеличить содержание TAG в листьях часто приводят к снижению уровня крахмала, что указывает на существование внутреннего приоритета распределения углерода между этими двумя формами.
Что регулирует углеродный баланс в листьях растений?
Изображение носит иллюстративный характер

Исследование, опубликованное в журнале Journal of Experimental Botany группой из Университета Чиба (Япония) под руководством доцента Такаси Л. Шимада и при участии первого автора Мебае Ямагучи, было посвящено поиску генетических факторов, определяющих этот баланс в листьях. В работе применялся метод прямой генетики с использованием растения Arabidopsis thaliana.

Для создания мутаций семена Arabidopsis обработали этилметансульфонатом — химическим агентом, вызывающим случайные изменения в ДНК. Дополнительно растения несли трансген — зеленый флуоресцентный белок (GFP), связанный с белком CALEOSIN3, который локализуется в липидных каплях. Такой подход позволил исследователям отслеживать количество липидных капель в листьях с помощью флуоресцентной микроскопии, что стало косвенным маркером для оценки уровня TAG.

В результате скрининга был обнаружен мутант lipid-rich 1-1 (liri1-1), у которого содержание TAG оказалось в пять раз выше, а уровень крахмала — в два раза ниже, чем у обычных растений. Помимо этого, у liri1-1 отмечались дефекты роста и нарушения структуры хлоропластов.

Дальнейший анализ выявил ранее неизвестный ген, названный LIRI1, который кодирует белок, работающий в хлоропластах и участвующий в регуляции как синтеза жирных кислот, так и образования крахмала. Было установлено, что LIRI1 взаимодействует с двумя ключевыми ферментами: α-субъединицей карбокситрансферазы ацетил-КоА-карбоксилазы (α-CT), необходимой для синтеза жирных кислот, и ферментом STARCH SYNTHASE 4 (SS4), отвечающим за биосинтез крахмала.

В нормальных условиях LIRI1 способствует направлению углерода на образование крахмала, активируя его синтез и ограничивая его распад, а также препятствуя преобразованию углерода в TAG. Однако при утрате функции LIRI1, как в случае мутанта liri1-1, этот баланс смещается: резко падает уровень крахмала и возрастает накопление TAG в листьях.

Появление у мутантов liri1-1 нарушений роста и аномалий хлоропластов подчеркивает важность правильного распределения углерода для нормального развития растений. Как отметил Такаси Л. Шимада: «Нас интересовало, как растения распределяют углеродные ресурсы. Почему семена накапливают так много липидов, а листья — очень мало? Ответ на этот вопрос позволил нам внести вклад как в фундаментальную, так и в прикладную науку».

Открытие гена LIRI1 открывает перспективы для биотехнологий. Изменение его активности может позволить создавать культуры с повышенным содержанием TAG в листьях — потенциальный источник возобновляемого растительного масла, а также низко-крахмальные растения для специфических диетических нужд, например, для людей с диабетом. По словам Шимада, «мутация liri1 может быть полезна при разработке новых сортов с высоким содержанием TAG или с пониженным содержанием крахмала. Такие культуры можно будет адаптировать под нужды здоровья человека, например, как продукты с низким содержанием крахмала для людей с диабетом».

Работа исследовательской группы из Университета Чиба демонстрирует, что LIRI1 является ключевым регулятором баланса между крахмалом и жиром в листьях, открывая новые горизонты для понимания и манипулирования углеродным обменом у растений.


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка