Ett forskargrupp i Brookhaven Lab under ledning av John Shanklin (stående, bak) utforskade strategier för att öka oljeproduktionen och ackumulering i växtblad. Zhiyang Zhai (sittande, holding plant) utförde de biokemisk-genetiska studierna med tekniskt stöd från Hui Liu (vänster) och hjälp med datatolkning från Changcheng Xu (höger). Kredit:Brookhaven National Laboratory
Ät för mycket utan att träna så kommer du förmodligen att lägga på dig några kilo. Som det visar sig, växtblad gör något liknande. I en ny studie vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory, forskare visar att sockerarter i växtbladen kan göra att de också blir feta.
I växter, denna extra fettackumulering kan vara bra. Det kan hjälpa till att göra växter till fabriker för att tillverka biobränslen och andra användbara kemikalier. Men du kan inte bara mata växter med kakor och munkar för att få löv att pumpa ut mer olja.
"Växter gör sin egen mat, sa John Shanklin, Brookhaven Lab-biokemist som ledde forskningen. "De omvandlar solljus, vatten, och koldioxid till sockerarter genom fotosyntes, och dessa sockerarter transporteras vanligtvis ut från löv till andra delar av växten, och omvandlas till andra föreningar som växter behöver för tillväxt och utveckling. Oljor tenderar att inte ackumuleras till höga nivåer, förutom i vissa frön."
För att tippa balansen till förmån för högre oljeproduktion och ackumulering i löv – vilket skulle vara mer rikligt och tillgängligt än frön för att tillverka biobaserade kemikalier – behövde forskarna detaljerad kunskap om de biokemiska processerna som driver de metaboliska vägarna och generna som styr dem. Som beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Plant Physiology, Brookhaven-teamet odlade selektivt upp växter för att kombinera en serie egenskaper som blockerade en del av sockertransport- och omvandlingsvägarna, vilket resulterade i ökad oljeproduktion och ackumulering.
Den här grafen visar hur en kombination av genetiska mutationer kan öka ackumuleringen av olja i bladen på en vanlig laboratorieväxt. A är vildtypsväxten Arabidopsis utan mutationer; B är Arabidopsis med två mutationer som stör både transporten av socker ut ur löv och omvandlingen av socker till stärkelse; C har samma mutationer som B plus två ytterligare mutationer:en för att blockera en annan sockeromvandlingsväg, och en för att blockera transporten av lipider. Resultaten tyder på att denna biokemisk-genetiska strategi kan bidra till att öka oljeproduktionen och ackumuleringen i de vegetativa vävnaderna hos växter som odlas för biobränslen eller andra råvaror. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Forskarna misstänkte att mer socker i bladen skulle öka oljeproduktionen i dessa vegetativa vävnader baserat på deras tidigare forskning. Det arbetet identifierade hur höga sockernivåer hämmar ett reglerande protein som spelar en nyckelroll i nedbrytningen av ett annat protein som fungerar som en switch för att slå på oljeproduktionsgener. I den aktuella studien, forskarna fann ökade nivåer av on-switch-proteinet tillsammans med högre nivåer av oljeprekursorer och olja.
"Att kombinera genetiska mutationer som minskar transporten av socker ut ur löv och omvandlingen av sockerarter till stärkelse ökar sockernivåerna i bladen, Shanklin sa. "Att överskott av socker driver ökad oljeproduktion genom att stabilisera oljan på switchen, och även genom att tillföra de kolbyggstenar som behövs för att göra mer olja i löv."
Forskarna odlade också upp växter som kombinerade de sockerökande egenskaperna med andra mutationer, inklusive en som begränsade nedbrytningen av växtlipider, vilket resulterade i ytterligare ökningar av oljeprekursorackumulering i löv.
"I flera fall, kombinationer av dessa mutationer hjälpte tippväxtmetabolismen att producera och lagra mer olja än förväntat i löv, sa Shanklin.
"Fynd från dessa grundläggande biokemisk-genetiska studier ger värdefulla insikter om förhållandet mellan socker, oljeprekursorer, och oljeansamling i löv som kommer att hjälpa till att informera biotekniska ansträngningar för att optimera oljeackumulering i vegetativa vävnader hos ekonomiskt viktiga växter."
