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编译服务: 可再生能源 编译者: dumin 发布时间: Sep 23, 2021 点击量: 819

这项研究为提高植物组织的含油量提供了新的目标,在生物能源、化学工程和营养方面具有潜在的应用前景。

布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种突变,使正常的拟南芥植物缺乏甾醇。他们进行了广泛的遗传和生化实验,以确定甾醇在油滴形成中的重要作用。

纽约州厄普顿的科学家们试图解开植物如何生产和积累石油的细节,他们已经确定了装配线的一个新的重要组成部分。他们发现了一种特殊的甾醇——一种与胆固醇有关的分子,在油滴的形成中起着关键作用。

领导这项研究的美国能源部布鲁克海文国家实验室生物学家徐长城(音译)说:“这项研究极大地扩展了我们对控制脂滴形成的分子因素的理解,脂滴是所有真核生物中储存和代谢油脂的重要细胞器。”这项研究结果发表在《自然通讯》上,可能会为设计多种植物组织的含油量提供新的方法。

这项工作对于提高叶和茎的含油量的基因工程策略具有特别重要的意义。科学家们说,这些植物组织通常不会积累油,但它们可以作为制造生物燃料和其他产品可持续油的丰富来源。

这一发现也适用于植物种子中油的积累,植物种子是油在植物中自然积累的主要场所。这些天然植物油的储藏库为植物胚胎和幼苗以及动物和人类提供营养。

“我们发现缺乏特定类型的甾醇会导致种子和叶子中的油积累量下降。”徐长城说。

石油生产的绿灯

布鲁克海文实验室的科学家们设计了拟南芥植物,以观察附着在油蛋白上的绿色荧光蛋白,油质蛋白是一种稳定脂滴(LDs)的蛋白质。在上面一排,这些LDs在荧光显微镜下很容易在对照植物的叶片中发现,但在缺乏甾醇的突变体的叶片中则不易发现。下排电子显微镜图像显示甾醇突变体种子的LD大小增加,但LD数量减少。

徐长城和他的团队多年来一直致力于增加植物叶和茎中的油脂积累。

“与种子相比,叶子作为一种可能的生物能源材料更为丰富,”他指出。“此外,由于种子中的油用于食物,我们正在努力在植物的非种子部分(如叶子和茎)积累油和其他生物产品,以避免食物和燃料之间的竞争。”

研究小组利用普通的实验室植物拟南芥,在使叶子积累大量油方面取得了一些进展。

他们开发了一种追踪石油累积的简便方法。通过基因工程,他们创造了一种绿色荧光蛋白总是附着在一种叫做油蛋白的蛋白质上的拟南芥植物。油蛋白只在脂滴表面积聚。它是细胞内围绕这些储油室膜的一部分,有助于稳定这些储油室。如果植物组织的叶、茎或种子样本中含有脂滴,它们在荧光显微镜下会像小绿点一样突出。

“我们用一种诱变剂处理我们的拟南芥植物,试图触发突变,从而增加油的积累,”徐长城说,他使用荧光技术来识别绿点更多和/或更大的菌株。

具有讽刺意味的是,他们在一种几乎没有油累积的拟南芥中发现了甾醇。

“目前这项工作的主要目的是找出是哪种基因改造导致了石油积累量的急剧下降,”徐长城说。“我们认为追踪这个基因可能会给我们提供一些新的基因/蛋白质,这些基因/蛋白质在脂滴的形成或积累中起着重要作用。”

内部组装的线索

油滴形成油(黄色)聚集在形成内质网(ER)的膜层之间积聚,内质网是植物细胞细胞质内的一个膜网络。液滴生长并最终收缩成悬浮在细胞质中。但这一过程只发生在某些沿膜富含甾醇和油酸的微区。布鲁克海文研究小组假设,甾醇对形成这些液滴的微区至关重要。

在显微镜下,科学家们知道脂滴形成于细胞的“内质网”中。这是细胞内的膜(不是细胞周围的膜)的内部网络,就像一种工厂组装和包装各种材料,如蛋白质和脂质。

当油开始在内质网膜的两层之间积聚时,形成脂质储存液滴,但仅限于内质网的某些区域。最后,当有足够的油存在时,小的膜屑会被掐断,使油被封装在独立的隔室中。

布鲁克海文的研究表明,研究一种不积累这些脂滴的植物,可以为推动这一过程的生化因素提供线索,以及它发生的特定内质网域的独特之处。

关注基因

为了弄清楚是哪一种突变导致了石油储量的急剧下降,布鲁克海文研究小组使用了一种称为定位克隆的技术——一种搜索染色体每个区域的方法,以精确定位一个特定的基因,该基因负责感兴趣的特征。这项技术将搜索范围缩小到植物染色体的一个特定区域。

“这个区域仍然包含数百个候选基因。”徐长城说。

布鲁克海文实验室生物学家徐长城和他的团队一直在探索如何让植物在叶和茎中积累更多的油,这些叶和茎是丰富的营养组织,可以用于生物能源应用。

在使用全基因组测序来搜索该区域的任何突变后,研究小组确定了一个他们怀疑涉及的基因。该基因编码一种酶,负责多步骤合成甾醇的一个生化步骤。甾醇是一种与内质网和其他细胞膜中发现的胆固醇相关的分子。

通过选择性地“敲除”该基因的正常(未突变)版本,科学家们能够复制突变的效果。也就是说,基因被敲除的植物不会积累任何脂滴。此外,将未突变的基因添加回去,可以恢复油滴的积累。

“这项实验提供了明确的证据,证明甾醇在形成油滴中起着至关重要的作用。”徐长城说。

但是科学家们更进一步。他们还研究了在多步骤甾醇合成途径中,如果他们在这种特定酶的“上游”突变酶基因,会发生什么。他们测量了这些突变体的甾醇水平。

详细的研究使他们能够专注于特定类型的甾醇,当甾醇缺乏时,会导致低油积累。

相同基因的突变导致叶片和种子中的油积累减少。在容易看到脂滴的种子中,科学家们还利用布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)的透射电子显微镜和共聚焦显微镜对其形状和大小进行了定量研究。

这些结果共同证明了这种特殊甾醇在脂滴形成中的普遍作用。

“我们相信,这种甾醇对于内质网膜微结构域的形成至关重要,其参与脂滴的形成,”徐长城说。“甾醇的缺乏导致这种微结构域的形成缺陷。”

现在他们知道了当这些基因被关闭时会发生什么,科学家们建议,启动这些基因并提高其表达的策略可能是增加叶、茎或种子中石油积累的一种方法。

该团队将在未来的实验中探索这些策略。

这项工作由美国能源部科学办公室资助。CFN是美国能源部布鲁克海文实验室科学用户设施办公室。

布鲁克海文国家实验室得到美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

 

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