Биомасса растений обладает значительной теплотворной способностью, но большая ее часть составляет прочные клеточные стенки, что является неаппетитным эволюционным преимуществом, которое помогло травам выжить после собирательства и процветать более 60 миллионов лет.
Проблема в том, что эта устойчивость по-прежнему делает их менее усваиваемыми в рубце коров и овец и трудными для переработки на биоэнергетических заводах для получения этанолового топлива.
Но теперь многонациональная группа исследователей из Великобритании, Бразилии и США точно определила ген, участвующий в укреплении клеточных стенок, подавление которого увеличивает высвобождение сахаров на 60%. Их выводы опубликованы сегодня в New Phytologist.
«Воздействие может быть глобальным, поскольку каждая страна использует траву для кормления животных, а несколько биотопливных заводов по всему миру используют это сырье», - говорит Роуэн Митчелл, биолог растений из Rothamsted Research и соруководитель группы.
«Только в Бразилии потенциальные рынки для этой технологии оценивались в прошлом году в 1300 миллионов реалов (400 миллионов долларов) для биотоплива и 61 миллион реалов для фуражного скота», - говорит Хьюго Молинари, главный исследователь Лаборатории генетики. и биотехнологии в Embrapa Agroenergy, входящей в состав Бразильской корпорации сельскохозяйственных исследований (Embrapa) и еще одним соруководителем группы.
Ежегодно производятся миллиарды тонн биомассы из травяных культур, отмечает Митчелл, и ключевой характеристикой является ее усвояемость, которая определяет, насколько экономически выгодно производить биотопливо и насколько оно питательно для животных. Увеличение жесткости клеточных стенок или ферулоилирование снижает усвояемость.
«Мы идентифицировали гены, специфичные для злаков, в качестве кандидатов на контроль ферулоилирования клеточной стенки 10 лет назад, но оказалось очень сложно продемонстрировать эту роль, хотя многие лаборатории пытались», - говорит Митчелл. «Теперь мы предоставляем первое убедительное доказательство существования одного из этих генов».
В генетически модифицированных растениях группы трансген подавляет эндогенный ген, ответственный за ферулоилирование, примерно до 20% его нормальной активности. Таким образом, полученная биомасса менее ферулоилирована, чем в немодифицированном растении.
«Подавление не оказывает очевидного влияния на производство биомассы растением или на внешний вид трансгенных растений с более низким уровнем ферулоилирования», - отмечает Митчелл. «С научной точки зрения мы теперь хотим выяснить, как ген опосредует ферулоилирование. Таким образом, мы сможем увидеть, сможем ли мы сделать этот процесс еще более эффективным."
Выводы, несомненно, являются благом для Бразилии, где развивающаяся биоэнергетическая промышленность производит этанол из непищевых остатков других травяных культур, таких как кукурузная солома и остатки сахарного тростника, а также из сахарного тростника, выращиваемого в качестве специальной энергетической культуры.. Повышение эффективности производства биоэтанола поможет заменить ископаемое топливо и сократить выбросы парниковых газов.
«С экономической и экологической точек зрения наша животноводческая отрасль выиграет от более эффективного кормодобывания, а наша индустрия биотоплива выиграет от биомассы, которая требует меньшего количества искусственных ферментов для ее расщепления в процессе гидролиза», - отмечает Молинари.
Для Джона Ральфа, соавтора и первооткрывателя, открытие было достигнуто с трудом и давно назрело. «Различные исследовательские группы «получили белок/ген ферулоилирования в ближайшее время», и это было около 20 лет назад», - отмечает профессор биохимии в Университете Висконсин-Мэдисон и в Исследовательском центре биоэнергетики Великих озер Министерства энергетики США.
«Наша группа с начала 1990-х годов интересовалась перекрестными связями ферулатов в клеточных стенках растений и разработала методы ЯМР, которые оказались полезными для характеризации здесь», - отмечает Ральф. «Это было непросто обнаружить».