Вчені знайшли ген, що робить тополі сильнішими

Дослідження біологів Брукхейвенської національної лабораторії показало, що білок PtrbHLH011 у тополі регулює одразу кілька ключових процесів – від накопичення заліза до формування клітинної стінки й синтезу захисних молекул.

Щоб краще зрозуміти функцію білка PtrbHLH011 в рослинах тополі, дослідники “нокаутували” ген, який його кодує, і спостерігали за наслідками. Нокаутовані рослини (верхній ряд праворуч) виросли вищими, ніж їхні незмінені аналоги (верхній ряд ліворуч). Мікроскопічні експерименти (середній і нижній ряди) показали, що нокаут гена збільшив вміст лігніну в стеблах (червоний колір, лігнін) і прискорив накопичення заліза в листі (зелений колір, Fe). Фото: Брукхейвенська національна лабораторія

Перші спостереження вказали, що експресія цього гена різко падає в умовах дефіциту заліза. Вчені вирішили дослідити його функції, використавши метод «нокауту». Коли PtrbHLH011 було деактивовано, рослини несподівано показали подвійне збільшення вмісту лігніну, посилений ріст та триразове підвищення накопичення заліза в листках. Крім того, було зафіксовано сплеск синтезу флавоноїдів, які зміцнюють імунітет рослин.

Ці результати вразили дослідників, адже зазвичай високий рівень лігніну обмежує ріст, відволікаючи енергію від біомаси. Як пояснює Мен Се, «триразове збільшення вмісту заліза в листках прискорило фотосинтез, що дало рослинам більше енергії для росту та синтезу лігніну й флавоноїдів».

Протилежні зміни спостерігалися у рослин із надмірною експресією PtrbHLH011: вони росли повільніше, мали слабкіші клітинні стінки та були більш сприйнятливі до хвороб. Це підтвердило роль білка як фактора транскрипції, що координує роботу кількох генів-мішеней. Юцю Дай зазначив: «Якщо ми зможемо модулювати окремі гени-мішені, а не весь фактор транскрипції, ми зможемо більш точно контролювати біологічні процеси».

Для аналізу дослідники застосували широкий спектр методів: конфокальну мікроскопію для локалізації експресії білка, рентгенівську біовізуалізацію на установці NSLS-II для вивчення структури клітинних стінок та вимірювання лігніну, а також експресійний аналіз у співпраці з Об’єднаним інститутом геному.

Завдяки цьому вдалося сформувати нове фундаментальне розуміння того, як тополі регулюють баланс між ростом, накопиченням мінералів і стійкістю до патогенів. Як підкреслив Се, «ці знання дадуть змогу розвивати біоенергетичні культури, що процвітатимуть навіть на бідних ґрунтах, та створювати біоматеріали для палива, хімікатів і промислових продуктів».

Таким чином, PtrbHLH011 виявився ключовим вузлом регуляції, який можна використати для оптимізації біоенергетичних рослин, посилення їх стійкості до хвороб і збільшення продуктивності біомаси.