AMES, Iowa - Forskningsgrupper fra Iowa State University og Salk Institute for Biologiske studier har afsløret funktionen af tre planteproteiner, en opdagelse, der kan hjælpe planteforskere med at styrke frøolieproduktionen i afgrøder og derved gavne produktionen af fødevarer, biorenewable kemikalier og biobrændstoffer.
Analysen af genaktivitet (af Iowa-gruppen) og bestemmelse af proteinstrukturer (af Salk-gruppen) identificeret uafhængigt i modellen plante thale cress (Arabidopsis thaliana) tre relaterede proteiner, der ser ud til at være involveret i fedtsyremetabolismen. Iowa og Salk-forskerne gik derefter sammen for at teste denne hypotese og demonstrerede en rolle af disse proteiner i reguleringen af mængder og typer af fedtsyrer, der er akkumuleret i planter. Forskerne viste også, at proteinenes virkning er meget følsom over for temperatur, og at denne funktion kan spille en vigtig rolle i, hvordan planter mindsker temperaturstress ved hjælp af fedtsyrer.
De blå områder i denne Thale Cress-plante angiver, hvor det fedtsyrebindende protein, et gen udtrykkes, ifølge Iowa State-forskere. De blå områder svarer også til regioner, hvor høje fedtsyrer ville blive syntetiseret af planten. Billedet er tilladt af Eve Syrkin Wurtele og Micheline Ngaki.
Opdagelsen offentliggøres online på nature.com, webstedet for tidsskriftet Nature. Tilsvarende forfattere er Eve Syrkin Wurtele, professor i genetik, udvikling og cellebiologi i Iowa State; og Joseph Noel, en professor og direktør for Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics ved Salk Institute i La Jolla, Californien, og en efterforsker hos Howard Hughes Medical Institute.
”Dette arbejde har store konsekvenser for modulering af fedtsyreprofiler i planter, hvilket er meget vigtigt, ikke kun for bæredygtig fødevareproduktion og ernæring, men nu også for biorenewable kemikalier og brændstoffer,” sagde Noel.
"Fordi meget højenergi-molekyler såsom fedtsyrer oprettes i planten ved hjælp af solenergi, kan disse molekyltyper i sidste ende give de mest omkostningseffektive og effektive kilder til biorenewable produkter," tilføjede Wurtele.
Selvom forskerne nu forstår, at de tre proteiner - kaldet fedtsyrebindende proteiner en, to og tre eller FAP1, FAP2 og FAP3 - er involveret i fedtsyreophopning i plantevæv som blade og frø, sagde Wurtele forskere stadig forstår ikke den fysiske mekanisme, disse proteiner anvender på molekylært niveau. Denne viden vil i sidste ende give de to samarbejdende forskningsgrupper mulighed for forudsigeligt at konstruere bedre funktioner i planter.
For at identificere proteinenes funktion i planter brugte Wurteles forskergruppe sin ekspertise inden for molekylærbiologi og bioinformatik (anvendelsen af computerteknologier til biologiske studier).
Et værktøj, som Iowa State-forskerne brugte, var MetaOmGraph, software, de udviklede til at analysere store sæt offentlige data om mønstrene for genaktivitet under forskellige udviklingsmæssige, miljømæssige og genetiske ændringer. Softwaren afslørede, at ekspressionsmønstrene for FAP-generne ligner dem fra gener, der koder for enzymer til fedtsyresyntese. Analyserne viste også, at akkumuleringen af to af proteinerne er størst i de regioner på planten, hvor den største mængde olie produceres. Disse ledetråder fik forskerne til at forudsige, at de tre FAP-proteiner er vigtige for akkumulering af fedtsyre.
Iowa State-forskerne testede derefter denne teori eksperimentelt ved at sammenligne fedtsyrer fra mutante planter, der mangler FAP-proteiner, med dem fra normale planter. På trods af de mutante planternes sunde udseende er det samlede fedtsyreindhold større end i de normale planter, og typerne af fedtsyrer er forskellige.
Iowa State Universitys Micheline Ngaki, venstre, og Eve Syrkin Wurtele analyserede genaktiviteten for thale cress-planten for at identificere rollen som tre planteproteiner i reguleringen af mængder og typer af fedtsyrer i planter. Foto af Bob Elbert.
Noel og forskere ved Salk Institute anvendte en række teknikker - inklusive røntgenkrystallografi og biokemi - til at karakterisere strukturerne i FAP1, FAP2 og FAP3 proteiner og til at bestemme, at proteinerne binder fedtsyrer.
”Proteinerne ser ud til at være afgørende manglende forbindelser i metabolismen af fedtsyrer i Arabidopsis og tjener sandsynligvis en lignende funktion i andre plantearter, da vi finder de samme gener spredt over hele planteriget”, sagde Ryan Philippe, en postdoktoral forsker i Noels laboratorium.
De første forfattere af papiret er Micheline Ngaki, en Fulbright-lærd fra Congo og en kandidatstuderende i genetik, udvikling og cellebiologi i Iowa State; Gordon Louie, en forsker ved Salk Institute; og Philippe. Andre samarbejdspartnere inkluderer Ling Li, en adjunktassistent i Iowa State og lektor i genetik, udvikling og cellebiologi; Gerard Manning, direktør for Salk's Razavi Newman Center for Bioinformatics; og Marianne Bowman, Florence Pojer og Elise Larsen, forskere i Howard Hughes Medical Institute i Salk's Skirball Center.
Projektet blev delvis støttet af National Science Foundation, herunder Engineering Research Center for Biorenewable Chemicals med base i Iowa State, National Cancer Institute, Howard Hughes Medical Institute og Ngaki's Fulbright-pris. Ekstra support kom fra Iowa State Plant Institute Institute.
Opdagelsen af forbindelsen mellem FAP-proteiner og plantefedtsyrer kan være meget nyttig for planteforskere.
"Hvis forskerne nøjagtigt kan forstå, hvilken rolle proteinerne spiller i frøolieproduktionen," sagde Ngaki, "kan de muligvis ændre proteinenes aktivitet i nye plantestammer, der producerer mere olie eller olie af højere kvalitet end nuværende afgrøder."
Yderligere, hvis de tre proteiner hjælper planter med at regulere stress, ville planteforskere muligvis være i stand til at udnytte den egenskab til at udvikle planter, der er mere modstandsdygtige over for stress, sagde Wurtele. Og det kunne give landmænd mulighed for at dyrke afgrøder til biorenewable brændstoffer og kemikalier på marginale jord, der ikke er egnet til fødevareafgrøder.
Alt dette, sagde hun, kunne pege på nye retninger i biologiske studier.
”Vi går ind i en forudsigelsesbiologi,” sagde Wurtele. ”Det betyder, at udnytte beregningsmetoder til at udlede genfunktion, model biologiske processer og forudsige konsekvenserne af at ændre et enkelt gen til det organiske komplekse netværk af en organisme.”
Genudgivet med tilladelse fra Iowa State University.