Вчені генетично модифікують рослини, щоб отримувати більше рослинної олії
Вчені з Наньянського технологічного університету Сінгапуру (NTU Singapore) успішно генетично модифікували рослинний білок, який відповідає за накопичення олії в насінні рослин та їстівних горіхах.
Демонструючи свій запатентований метод, модельна рослина Arabidopsis накопичила на 15-18 відсотків більше олії у своєму насінні, коли воно вирощувалося з модифікованим білком у лабораторних умовах.
Пошук способів змусити сільськогосподарські культури давати більше олії у насінні – це святий Грааль для сільськогосподарської галузі. Однак більшість олійних культур, таких як олійна пальма, соя, соняшник, ріпак, арахіс, вже містять високий відсоток олії в плодах або насінні, і важко збільшити вміст олії за допомогою традиційних методів схрещування культур. .
Рослинні олії зазвичай використовуються в харчовій промисловості, виробництві біопалива, мила та парфумерії, і їх світовий ринок оцінюється в 241,4 млрд. доларів США в 2021 році і, як очікується, збільшиться до 324,1 млрд. доларів США до 2027 року . Збільшення виходу олії з рослин також може допомогти світу у його прагненні до стійкості, допомагаючи скоротити кількість орних земель, необхідних вирощування олійних культур.
Секрет того, як допомогти рослинам зберігати більше олії у своєму насінні, полягає в одному з їх білків, який називається WRINKLED1 (WRI1). Вченим вже понад два десятиліття відомо, що WRI1 відіграє важливу роль у контролі виробництва олії.
Тепер вперше структура WRI1 з високим дозволом була зображена та представлена командою NTU під спільним керівництвом доцента Гао Юнгі та доцента Ма Вей зі Школи біологічних наук.
У публікації, опублікованій у науковому журналі Science Advances, команда докладно описала молекулярну структуру WRI1 і те, як вона зв'язується з ДНК рослини, що сигналізує рослині, скільки олії накопичити в її насінні.
Ґрунтуючись на розумінні атомної структури комплексу WRI1-ДНК, команда модифікувала WRI1, щоб підвищити його спорідненість до ДНК, щоб підвищити вихід олії. У цьому підході деякі частини WRI1 були вибрані для модифікацій, щоб покращити його зв'язування з ДНК, і було отримано кілька форм WRI1.
Потім ці кандидати WRI1 були додатково протестовані для оцінки їхньої здатності активувати вироблення олії у рослинних клітинах. Як і очікувалося командою, вони показали, що їх модифіковані версії WRI1 збільшили зв'язування ДНК у десять разів у порівнянні з вихідним WRI1, що в кінцевому підсумку призвело до більшого вмісту олії в його насінні.
Доцент, професор Гао, структурний біолог, сказав: «Можливість точно побачити, як виглядає WRI1 і як він зв'язується з ДНК, що відповідає за виробництво олії на заводі, була ключем до розуміння всього процесу. WRI1 є важливим регулятором, який інформує рослині, скільки масла зберігати у своєму насінні. Як тільки ми зуміли візуалізувати «замок», ми розробили «ключ», який може відкрити потенціал WRI1».
Як працює модифікація WRI1
Аналізуючи на атомному рівні кристалічну структуру білка WRI1 і нитки подвійної спіралі ДНК, з якими він зв'язується, вчені помітили, що цей домен, що зв'язує ДНК, значною мірою консервативний. Це означає, що варіацій практично не було, що дозволяє припустити, що це може бути загальний механізм зв'язування багатьох видів рослин.
Використовуючи цю кристалічну структуру WRI1 як «мішень», команда потім вирішила модифікувати WRI1, щоб підвищити афінність зв'язування білка з ДНК-мішенню. Інструкції для кодування цього модифікованого білка WRI1 потім вводяться в клітини рослини-мішені, після чого рослина буде використовувати цей новий «набір інструкцій» щоразу, коли вона виробляє WRI1.
У лабораторних експериментах для спостереження за тим, як модифікований WRI1 впливає на накопичення олії, як модифікований білок, так і немодифіковану форму вводили в листя Nicotiana benthamiana, а також проводили аналіз рівнів триацилгліцерину (основної форми харчових ліпідів у жирах та оліях). Модифікований білок WRI1 викликав більші сплески продукції триацилгліцерину порівняно з контрольною рослиною, в яку вводили немодифіковану форму WRI1.
Наступні експерименти показали, що вміст олії в насінні модифікованого Arabidopsis thaliana містив більше олії, ніж у немодифікованій формі. Нащадок цієї генетично модифікованої рослини також буде нести той же модифікований білок WRI1 і виробляти більше олії у своєму насінні.
Доцент Ма, молекулярний біолог рослин, який вивчає WRI1 з моменту отримання докторського ступеня, сказав, що модифікація WRI1 для поліпшення зв'язування з ДНК була логічним кроком для команди.
«Ми знаємо, що WRI1 – це білок, який зв'язується з послідовністю ДНК рослини та запускає специфічний ланцюжок інструкцій, який регулює накопичення олій у насінні. Чим сильніший зв'язок, тим більше олії рослина буде концентрувати у своєму насінні. Тому ми вирішили поліпшити цю частину WRI1, яка зв'язується з ДНК-мішенню, яка високо консервативна в багатьох насіннєвих рослинах. Висока консервативність означає, що багато видів рослин будуть мати такий самий механізм, який можна модифікувати, тому ми повинні в майбутньому ми зможемо легко перенести нашу модифікацію підвищення врожайності на різні види культур». Помічник професор Ма пояснив.
«Олія з насіння рослин має життєво важливе значення для раціону людини та використовується у багатьох важливих промислових цілях. Світовий попит на олію дуже швидко зростає, і наші дослідження роблять свій внесок у зусилля щодо поліпшення виробництва олії стійким чином і потенційно знижують вплив на навколишнє середовище. сільського господарства". Доцент Ма додав.
Рухаючись уперед, команда подала патент на свій метод модифікації генів через NTUitive, відділ інновацій та підприємництва університету та шукає галузевих партнерів для комерціалізації свого винаходу.
Це дослідження узгоджується зі стратегічним планом NTU2025 та Маніфестом сталого розвитку університету, де воно спрямоване на дослідження та розробку нових технологій для більш зеленого майбутнього.
Даючи коментар незалежного експерта, професор Майкла Фама, професор Вільям Чен, директор програми харчових наук та технологій у NTU, сказав, що існує кілька способів боротьби з голодом у світі, у тому числі шляхом збільшення кількості виробленої їжі або збільшення калорійності та харчової цінності продуктів. їжа.
«У світі з обмеженими орними землями для сільського господарства потрібні передові технології для вирощування більшої кількості продуктів харчування з більш високою поживною цінністю, якщо ми сподіваємося впоратися з голодом у світі. Коли ми можемо збільшити вміст жиру в їстівному насінні і горіхах, людина може з'їсти меншу кількість, але все ж таки почуття ситості через збільшення споживаних калорій», — сказав професор Чен, експерт з харчової безпеки, який не брав участі в цьому дослідженні.
«Тому замість того, щоб вирощувати більше сільськогосподарських культур, щоб нагодувати більше людей, ми повинні також розглянути методи, за яких культури, що вирощують, містять більше калорій і поживних речовин, щоб така ж кількість їжі могла нагодувати більше людей».
Дослідження NTU підтримується грантами Міністерства освіти (MOE) Сінгапуру рівня 1 та рівня 2, які зазвичай присуджують дослідницькі проекти на конкурсній основі на суму до 200 000 доларів США та 1 мільйон доларів США відповідно.
Також читайте: