Открытие в генетике тополей может изменить будущее биоэнергетики и материалов

Микрофотография поперечного сечения стебля Populus trichocarpa (диаметр полного сечения: 5 миллиметров). Пурпурный цвет в клетках отражает присутствие лигнина — ключевого компонента древесины, обеспечивающего структурную прочность. Автор: Макс Бентельспахер

Новое исследование под руководством учёных из Университета Миссури раскрыло, как тополя могут естественным образом регулировать ключевой аспект химического состава своей древесины в ответ на изменения окружающей среды. Это открытие, ставшее результатом сотрудничества с учёными из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета Джорджии, может помочь в создании лучших биотоплив и других устойчивых продуктов.

Исследование «Факторы, лежащие в основе широтного градиента соотношения мономеров S/G лигнина в природных вариантах тополя» было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Лигнин — это обильное природное вещество, содержащееся почти в каждом растении, имеющем стебли, корни и листья. Он помогает растениям сохранять вертикальное положение, перемещать воду и защищаться от перепадов температур и других факторов окружающей среды.

«Лигнин действует и как клей, и как броня — он скрепляет всё вместе, одновременно защищая растение от внешних стрессоров», — заявил Хайме Баррос-Риос, доцент молекулярной биологии растений.

«Понимание того, как растения производят лигнин, может помочь нам улучшить его преобразование в высокоценные биоматериалы и повысить конкурентоспособность американских биорефайнери».

Почему именно тополя?

Тополя уже используются в целлюлозно-бумажной промышленности. Теперь их рассматривают как источник биоэнергии — топлива, пластиков и других биопродуктов, производимых из растений вместо нефти.

Тополя также полезны для научных исследований, поскольку их геном полностью картирован. Эти дополнительные знания позволили Баррос-Риосу, его команде в Колледже сельского хозяйства, продовольствия и природных ресурсов Миссури (CAFNR) и внешним colaboratorам обнаружить, что химический состав лигнина меняется в зависимости от широты произрастания дерева, то есть от того, насколько далеко к северу или югу от экватора оно находится.

Исследователи изучили 430 образцов древесины Populus trichocarpa — вида тополя, который растёт в основном в западной части Северной Америки, от северной Калифорнии до Британской Колумбии в Канаде. Деревья, растущие в более тёплом климате, производили лигнин с более высоким соотношением сирингил-гуаиацил (S/G) — двух ключевых химических строительных блоков, называемых мономерами, — по сравнению с теми, что из более холодного климата.

«Это соотношение S/G представляет собой пропорцию между двумя наиболее распространёнными мономерами в лигнине», — пояснил Вэйвэй Чжу, постдокторант в лаборатории Баррос-Риоса и ведущий автор исследования.

«Эти мономеры имеют слегка разную химическую структуру, что влияет на свойства древесины и напрямую определяет, насколько легко лигнин можно расщепить и переработать — упрощая создание биотоплива и широкого спектра повседневных продуктов».

Поперечное сечение стебля Populus trichocarpa, снятое в УФ-свете, чтобы показать сосудистые ткани, участвующие в образовании древесины. Светящиеся клеточные стенки содержат лигнин, обеспечивающий структурную прочность. Автор: Макс Бентельспахер

Неожиданные открытия

В дополнение к генетическому исследованию команда использовала 3D-компьютерное моделирование для лучшего понимания своих находок.

«Мы идентифицировали мутацию в важном ферменте клеточной стенки тополей под названием лакказа, которая, как оказалось, контролирует соотношение S/G в этой природной популяции», — сообщила Рэйчел Уэбер, старшекурсница по биохимии в Миссури, которая построила модель.

«Таким образом, я смогла использовать программное обеспечение для структурного моделирования белков ColabFold, чтобы точно определить местоположение этой мутации внутри белка лакказы».

К удивлению команды, мутация не проявилась в активном центре белка — это говорит о том, что отложение лигнина в естественных условиях может регулироваться ещё не охарактеризованными сигнальными путями, отметила Уэбер.

«Это указывает на более сложную регуляцию, чем мы изначально предполагали, и даёт нам новые подсказки о том, как деревья адаптируются и защищаются», — сказала она.

«Эти знания помогут нам разработать дополнительные гипотезы о том, как этот белок функционирует и взаимодействует с окружающей средой растения».

В другом неожиданном открытии команда обнаружила следовые уровни редкой формы лигнина — так называемого C-лигнина — в тополях. Ранее было известно, что C-лигнин присутствует только в семенах некоторых растений, таких как ваниль и кактусы.

Поскольку C-лигнин проще и однороднее обычного лигнина, его легче расщеплять и перерабатывать в usable растительный материал для биопластиков, биотоплива и других возобновляемых продуктов.

«Этот тип лигнина может помочь нам более эффективно превращать растительную биомассу в ценные товарные химикаты», — заявил Баррос-Риос.

В перспективе команда из Миссури сейчас работает над генетической модификацией тополей и соевых бобов, чтобы они могли содержать больше C-лигнина — это сделает биомассу этих растений более легкой в переработке для биорефайнеринга следующего поколения.

Больше информации: Barros, Jaime, Factors underlying a latitudinal gradient in the S/G lignin monomer ratio in natural poplar variants, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2503491122

Источник: University of Missouri