Forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har upptäckt att ett protein som ansvarar för syntesen av ett viktigt växtmaterial utvecklades mycket tidigare än man misstänkte. Forskningen publicerad i The Plant Cell , utforskar ursprunget och utvecklingen av det biokemiska maskineriet som bygger lignin, en strukturell komponent i växtcellväggar med betydande inverkan på industrin för ren energi.
När de första landväxterna dök upp från vattenmiljöer behövde de anpassa sig för att överleva.
Chang-Jun Liu, en senior forskare vid Brookhavens biologiavdelning, sa:"Uppkomsten av lignin, som ger strukturellt stöd för växterna, var en viktig evolutionär händelse som möjliggjorde växternas överlevnad i den nya markmiljön."
Att förstå hur växter utvecklade skyddsmekanismer som möjliggör överlevnad i nya miljöer är avgörande eftersom de står inför utmaningar som klimatförändringarna idag medför. Men lignin är också av stort intresse för forskare som söker efter alternativ för ren energi.
Detta sega växtmaterial kan bearbetas och omvandlas till värdefulla bioprodukter. Och lignin är den enda förnybara källan till aromatiska föreningar, som kemiskt liknar molekyler som finns i konventionellt flygbränsle och kan användas som "drop-in"-bränsle av flygbolag.
"Moderna växter innehåller tre typer av lignin, men de flesta tidiga lignin-innehållande växter hade bara två typer. Det "nyare" lignin kallas syringyl-lignin eller S-lignin," förklarade Liu. S-lignin utvecklades relativt nyligen med blommande växter och är strukturellt mindre komplex än de andra ligninkomponenterna. Dess potentiella industriella tillämpningar, i synnerhet, har fångat forskarnas uppmärksamhet eftersom S-lignin är relativt lätt att bryta ner till enkla aromater.
Den nya studien bygger på år av forskning fokuserad på lignin och de molekyler som är ansvariga för dess syntes. 2019 upptäckte Liu och hans kollegor att ett specifikt cytokrom b5-protein, CB5D, är oumbärligt för produktionen av S-lignin men inte de andra, äldre typerna av lignin.
"Det unika med CB5D:s roll i S-ligninsyntesen fascinerade oss," noterade Liu. "Så vi blev inspirerade att ytterligare utforska dess ursprung och utveckling."
I en tidigare studie fann Lius team att CB5D har ett speciellt partnerskap med ett enzym som kallas ferulat 5-hydroxylas (F5H). Tillsammans syntetiserade dessa molekyler det värdefulla S-ligninet.
Forskarna visste att utvecklingen av F5H i blommande växter hade lett till produktionen av S-lignin. Så de förväntade sig att finna att CB5D hade utvecklats tillsammans med F5H.
För att utforska sin hypotes gjorde forskarna en genetisk analys för att hitta andra växtarter vars DNA innehöll gener som liknar den moderna CB5D-genen, som fungerar som instruktioner för att montera CB5D-proteinet. De identifierade 21 arter, allt från evolutionärt gamla till evolutionärt nya. Forskarna syntetiserade sedan dessa gener och uttryckte dem individuellt i en modern växtart som var genetiskt förändrad för att sakna CB5D-genen.
"Utan CB5D-genen syntetiserar växten bara en liten mängd S-lignin", säger Xianhai Zhao, en postdoktor vid Brookhaven och huvudförfattare på det nya papperet. "Men om denna funktion återställdes med uttrycket av en av de relaterade generna, då skulle vi veta att genen fungerar på samma sätt som den moderna CB5D-genen."
Forskarna upptäckte att en gen från en grön alger som utvecklades till en tidig landväxt för över 500 miljoner år sedan återställde S-ligninsyntesen i den moderna växten. Detta indikerade att genen uppvisade funktionalitet av CB5D-typ. Forskarna fann också att funktionen bevarades i flera tidiga landväxter, som levermossar och mossor.
"Detta betyder att CB5D utvecklades miljontals år tidigare än vi hade förväntat oss," förklarade Liu. "Det var ganska överraskande att finna att en modern elektronacceptor som F5H hade samarbetat med ett gammalt protein för att utveckla nya biokemiska maskiner som syntetiserar den avancerade ligninstrukturen."
CB5D-genen och dess äldre motsvarighet innehöll liknande DNA-sekvenser och funktioner. Men forskarna ville se till att CB5D-proteinet från en gammal art, som levermos, uttrycktes i samma subcellulära strukturer som modern CB5D.
Så de använde konfokalmikroskopi vid Center for Functional Nanomaterials, en DOE Office of Science-användaranläggning vid Brookhaven Lab, för att bekräfta att så var fallet.
Efter att ha hittat uråldriga gener som kodar för proteiner som liknar det moderna CB5D-proteinet när det gäller S-ligninsyntes i moderna växter och cellulär lokalisering, ville teamet lära sig mer om detta proteins uråldriga funktion och hur det förändrades eller expanderade över tiden.
Deras analys visade att det CB5D-liknande proteinet dök upp i vattenlevande alger precis innan de övergick till en markbunden miljö. Och eftersom det konserverades i tidiga landväxter, fyller detta protein sannolikt en eller flera viktiga funktioner.
"Forntida växter som levermos innehöll inte S-lignin", sa Zhao. "Om proteinet av CB5D-typ inte var ansvarigt för att syntetisera S-lignin, vad gjorde det?"
Liu anmärkte:"Det är det fina med forskning. Att svara på en fråga leder dig till ännu mer intressanta frågor som väntar på att bli utforskade."
Mer information: Xianhai Zhao et al, Cytokrom b5-diversitet i gröna linjer föregick utvecklingen av syringylligninbiosyntesen, The Plant Cell (2024). DOI:10.1093/plcell/koae120
Journalinformation: Plantcell
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
