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.
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.
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.
