Исследователи из Университета штата Северная Каролина обнаружили, как сложная сеть факторов транскрипции включает и выключает гены образования древесины. Понимание этой регуляторной сети транскрипции имеет применение для изменения свойств древесины для производства древесины, бумаги и биотоплива, а также для повышения устойчивости лесных деревьев к болезням и вредителям.
"Мы строим полную историю, так сказать, о том, как функционирует формирование древесины - обо всех сложных компонентах, как они взаимодействуют и как они сочетаются друг с другом, чтобы регулировать образование древесины внутри клеточных стенок древесных растений", - говорит Джек Ван, доцент Колледжа природных ресурсов и соавтор статьи о растительных клетках.
Исследователи из Лесной биотехнологической группы штата Северная Каролина использовали трансгенный тополь черный (Populus trichocarpa), вид, который они интенсивно изучают, для выявления взаимодействий в сети регуляции транскрипции, управляемой ключевым фактором транскрипции, PtrSND1-B1. Исследователи задокументировали четыре уровня взаимодействия в сети, от уровня ДНК до уровней ферментов. Работа является продолжением двух предыдущих исследований, в которых функции PtrSND1-B1 были обнаружены с использованием системы деревообразующих клеток. Эти ранние исследования были опубликованы в PNAS и Plant Cell соавторами Цюаньзи Ли, Ин-Чунг Лином и Вей Ли из Forest Biotechnology Group под руководством Винсента Чанга.
«Факторы транскрипции - сложная сеть из них - регулируют, какие гены формирования древесины включаются или выключаются», - говорит Ван. «По сути, это регуляторные переключатели высокого уровня.
Понимание этой сети позволяет нам идентифицировать отдельные переключатели внутри этой сложной сети факторов транскрипции, которые могут одновременно контролировать несколько генов, формирующих древесину. Вместо того, чтобы работать с одним, двумя или тремя генами одновременно, что является нашим нынешним пределом, биологи растений могли бы работать с десятками генов одновременно».
Новое исследование переворачивает представление о сетях регуляции транскрипции, выведенное из работы с недревесными видами, такими как Arabidopsis thaliana, модельным растением.
«Эта сеть регуляции факторов транскрипции в древесных тканях почти полностью отличается от регуляторных процессов у арабидопсиса и других растений», - говорит Хао Чен, соавтор статьи и научный сотрудник с докторской степенью в штате Северная Каролина.
"Из 57 выявленных нами регуляторных взаимодействий 55 были специфичны для тканей древесных растений, что свидетельствует о том, что травянистые растения, такие как арабидопсис, не могут заменить древесные растения."
Исследование представляет собой обширный взгляд на регуляторную сеть транскрипции у древесных растений. Цель исследователей - предоставить набор инструментов для создания деревьев с особыми свойствами, необходимыми для коммерческой древесины, бумаги, производства биотоплива и нужд сохранения.
Биологи растений проверили 42 взаимодействия, которые они обнаружили в линиях трансгенного черного тополя, подтвердив функцию около 90 процентов. Сеть выявила, какие гены являются общими мишенями для конкретных факторов транскрипции. В результате исследователи обнаружили девять новых белок-белковых взаимодействий, участвующих в формировании лигнина, компонента клеточной стенки, который придает древесине прочность и плотность.
Ванг говорит, что несколько недавних исследований показывают, что лигнин связан с устойчивостью деревьев к болезням и насекомым, что является серьезной проблемой. Согласно отчету Лесной службы США за 2012 год, 7 процентов национальных лесов могут потерять более четверти своей древесной растительности к 2027 году. Количество исчезающей растительности выросло на 40 процентов всего за шесть лет.
«Исследования, подобные этому, посвященные лигнификации и формированию древесины, будут иметь большое значение, помогая понять, как можно сделать деревья более крепкими и улучшить здоровье леса в целом», - говорит Ван.