Биохимики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили два способа, с помощью которых аутофагия, или самопоедание, контролирует уровень масел в растительных клетках. Исследование, опубликованное в журнале The Plant Cell 29 апреля 2019 года, описывает, как этот каннибалистический процесс на самом деле помогает растениям выживать. Он также предоставляет детали механизмов, которые ученые могут использовать, чтобы заставить растения накапливать больше масла.
Растения обычно хранят масло в своих семенах, следовательно, в ограниченных количествах. Наличие большего количества масла в вегетативных тканях - листьях, стеблях и корнях - сделало бы растения более полезными в качестве энергетических культур, объяснил Чангчэн Сюй, биохимик из Брукхейвена, который руководил исследованием. Обильные растительные масла могут быть извлечены и использованы в качестве биодизельного топлива, например, для запуска автомобилей. Или богатую нефтью биомассу, которая содержит больше энергии, чем обычное растительное вещество, состоящее из углеводов, можно сжигать для выработки электроэнергии, обогрева зданий и других энергетических целей.
«Если вы хотите увеличить накопление масла, вам нужно знать, как оно синтезируется, и понять стабильность масла в тканях растений», - сказал Сюй. «Наше исследование показывает, что аутофагия играет две основные роли в масляном балансе: во-первых, она важна для биосинтеза липидных капель, формы, в которой масло хранится в растительных и других тканях. Она также играет роль в разрушении этих капель, когда растения нужно использовать нефть для производства энергии."
Переработка клеточных масштабов
Поедание части себя может показаться странной стратегией выживания. Но учтите, что этот процесс универсален. Это происходит во время нормального роста клеток млекопитающих, дрожжей и растений, и было показано, что оно в значительной степени индуцируется стрессовыми событиями, такими как голодание.
«Но аутофагия - это не полное потребление руки или ноги, ветки или стебля, а форма рециркуляции в клеточном масштабе», - сказал Сюй.
«Всем клеткам нужен способ избавиться от нежелательных материалов», - объяснил он. Это могут быть патогены, токсичные продукты жизнедеятельности или даже старые и поврежденные «органеллы», такие мини-органы, как митохондрии и хлоропласты, которые выполняют основные функции живых клеток. Клетки обычно доставляют свои отходы в автономные отсеки рециркуляции: «вакуоли» в клетках дрожжей и растений или «лизосомы» у млекопитающих. Внутри мощные ферменты, которые были бы слишком разрушительными, чтобы свободно плавать в клетке, расщепляют отходы, высвобождая биохимические строительные блоки, которые можно повторно использовать для создания новых клеточных структур или для обеспечения клетки энергией.
Исследование Сюй показало, что некоторые из биохимических строительных блоков, высвобождаемых в результате этого нормального процесса аутофагической переработки, представляют собой жирные кислоты, из которых состоят капли масла.
Брукхейвенская команда использовала растения, которые они уже модифицировали, для хранения масла в липидных каплях на листьях. Чтобы отследить происхождение масла, они кормили клетки этих растений предшественниками жирных кислот, которые были помечены радиоактивной формой углерода. Эта радиоактивная «метка» позволяла им отслеживать, куда перемещались помеченные молекулы с течением времени.
Они обнаружили, что меченые жирные кислоты не были непосредственно включены в липидные капли. Вместо этого они сначала стали частью различных клеточных мембран.
«Липиды являются основным компонентом клеточных мембран, в том числе мембран, окружающих каждую органеллу», - сказал Сюй. «Наше исследование показывает, что аутофагия доставляет старые органеллы с их богатыми липидами мембранами в вакуоли для деградации, а затем меченые жирные кислоты, высвобождаемые из мембран, попадают в масло, хранящееся в липидных каплях».
Еще один шаг в этих биохимико-генетических исследованиях подтвердил, что поедание старых мембран важно для накопления запасов масла: отключение генов, необходимых для аутофагии, уменьшило накопление капель липидов на 70 процентов.
Решение проблем растений и, возможно, наших потребностей в энергии
Как только они узнали, что аутофагия играет важную роль в биосинтезе масла, ученые также захотели выяснить, могут ли они вызвать вид аутофагии, который используют клетки дрожжей и млекопитающих, чтобы поедать капельки липидов, когда они голодают. Чтобы морить растения голодом, ученые поместили их в темноту. Без солнечного света невозможен фотосинтез для получения энергии.
В этой части исследования ученые использовали два флуоресцентных маркера для маркировки липидных капель (зеленый) и мембраны, окружающей вакуоль (красный). Они отследили происходящее с помощью конфокального микроскопа в Брукхейвенском лабораторном центре функциональных наноматериалов, пользовательском центре Министерства энергетики США.
«Эти изображения ясно показывают вакуоли, поглощающие целые капли липидов», - сказал Сюй. Внутри вакуоли ферменты обычно расщепляют липидные капли, чтобы высвободить жирные кислоты для получения энергии, но ученые заблокировали эту деградацию, чтобы получить изображения до того, как капли исчезнут.
«Мы хотели запечатлеть глотание, но не пищеварение», - сказал Сюй.
Опять же, они проверили, что происходит, когда они блокируют гены аутофагии.
«Вакуоли не могут съесть капли, поэтому они накапливаются в цитоплазме», - сказал Сюй.
Оставлять капли масла непереваренными в цитоплазме может быть плохо для растений, голодающих в темноте, но это может подсказать способ заставить биоэнергетические культуры накапливать больше масла.
«Есть еще много подробностей о том, как происходит этот процесс», - сказал Сюй. «Но если мы сможем обнаружить задействованные сигналы, мы сможем манипулировать процессом, чтобы заставить растения производить и хранить больше жирных кислот, основных компонентов биодизеля. Это знание также можно использовать для повышения стабильности капель масла. или растения, более устойчивые к стрессу. Это совершенно новая захватывающая область исследований!"