Ученые из Наньянского технологического университета Сингапура (NTU Singapore) успешно генетически модифицировали растительный белок, отвечающий за накопление масла в семенах растений и съедобных орехах.

Демонстрируя свой запатентованный метод, модельное растение Arabidopsis накапливало на 15–18% больше масла в своих семенах, когда его выращивали с модифицированным белком в лабораторных условиях.

Поиск способов заставить сельскохозяйственные культуры давать больше масла в семенах — это святой Грааль для сельскохозяйственной отрасли. Однако большинство масличных культур, таких как масличная пальма, соя, подсолнечник, рапс, арахис, уже имеют высокий процент масла в плодах или семенах, и трудно увеличить содержание масла в них с помощью традиционных методов скрещивания культур.

Растительные масла обычно используются в пищевой промышленности , производстве биотоплива, мыла и парфюмерии, и их мировой рынок оценивается в 241,4 млрд долларов США в 2021 году и, как ожидается, увеличится до 324,1 млрд долларов США к 2027 году. растения также могут помочь миру в его стремлении к устойчивости, помогая сократить количество пахотных земель, необходимых для выращивания масличных культур.

Секрет того, как помочь растениям хранить больше масла в своих семенах, заключается в одном из их белков, который называется WRINKLED1 (WRI1). Ученым уже более двух десятилетий известно, что WRI1 играет важную роль в контроле производства растительного масла.

Теперь впервые структура WRI1 с высоким разрешением была изображена и представлена ​​​​командой NTU под совместным руководством доцента Гао Юнги и доцента Ма Вей из Школы биологических наук.

В публикации, опубликованной в журнале Science Advances, команда подробно описала молекулярную структуру WRI1 и то, как она связывается с ДНК растения, что сигнализирует растению, сколько масла должно накапливаться в его семенах.

Основываясь на понимании атомной структуры комплекса WRI1-ДНК, команда модифицировала WRI1, чтобы повысить его сродство к ДНК, чтобы повысить выход масла. В этом подходе некоторые части WRI1 были выбраны для модификаций, чтобы улучшить его связывание с ДНК, и было получено несколько форм WRI1.

Затем эти кандидаты WRI1 были дополнительно протестированы для оценки их способности активировать выработку масла в растительных клетках. Как и ожидалось командой, они показали, что их модифицированные версии WRI1 увеличили связывание ДНК в десять раз по сравнению с исходным WRI1, что в конечном итоге привело к большему содержанию масла в его семенах.

доц. Профессор Гао, структурный биолог, сказал: «Возможность точно увидеть, как выглядит WRI1 и как он связывается с ДНК, отвечающей за производство масла на растении, была ключом к пониманию всего процесса. WRI1 является важным регулятором, который сообщает растению, сколько масла нужно хранить в его семенах. Как только мы смогли визуализировать «замок», мы разработали «ключ», который может раскрыть потенциал WRI1».

Как работает модификация WRI1

Анализируя на атомном уровне кристаллическую структуру белка WRI1 и нити двойной спирали ДНК, с которыми он связывается, ученые заметили, что этот связывающий ДНК домен в значительной степени консервативен. Это означает, что вариаций практически не было, что позволяет предположить, что это может быть общий механизм связывания для многих видов растений.

Используя эту кристаллическую структуру WRI1 в качестве «мишени», команда затем решила модифицировать WRI1, чтобы повысить аффинность связывания белка с ДНК-мишенью. Инструкции по кодированию этого модифицированного белка WRI1 затем вводятся в клетки растения-мишени, после чего растение будет использовать этот новый «набор инструкций» всякий раз, когда оно производит WRI1.

В лабораторных экспериментах для наблюдения за тем, как модифицированный WRI1 влияет на накопление масла, как модифицированный белок, так и немодифицированную форму вводили в листья Nicotiana benthamiana, а также проводили анализ уровней триацилглицерина (основной формы пищевых липидов в жирах и маслах). Модифицированный белок WRI1 вызывал более значительные всплески продукции триацилглицерина по сравнению с контрольным растением, в которое вводили немодифицированную форму WRI1.

Последующие эксперименты показали, что содержание масла в семенах модифицированного Arabidopsis thaliana содержало больше масла, чем в немодифицированной форме. Потомство этого генетически модифицированного растения также будет нести тот же модифицированный белок WRI1 и производить больше масла в своих семенах.

Ассистент Профессор Ма, молекулярный биолог растений, изучающий WRI1 с момента получения докторской степени, сказал, что изменение WRI1 для улучшения его связывания с ДНК было логичным шагом для команды.

«Мы знаем, что WRI1 — это белок, который связывается с последовательностью ДНК растения и запускает специфическую цепочку инструкций, которая регулирует накопление масел в семенах. Чем сильнее связывание, тем больше масла растение будет концентрировать в своих семенах. Следовательно, , мы решили улучшить эту часть WRI1, которая связывается с ДНК-мишенью, которая высоко консервативна во многих семенных растениях. Высокая консервативность означает, что многие виды растений будут иметь точно такой же механизм, который можно модифицировать, поэтому мы должны быть В будущем мы сможем легко перенести нашу модификацию, позволяющую производить масло, на множество различных типов культур», — пояснил доцент Ма.

«Масло из семян растений имеет жизненно важное значение для рациона человека и используется во многих важных промышленных целях. Мировой спрос на растительное масло очень быстро растет, и наши исследования вносят свой вклад в усилия по улучшению производства растительного масла устойчивым образом и потенциально снижают воздействие на окружающую среду. сельского хозяйства», зам. Профессор Ма добавил.

Двигаясь вперед, команда подала патент на свой метод модификации генов через NTUitive, отдел инноваций и предпринимательства университета, и ищет отраслевых партнеров для коммерциализации своего изобретения.

Это исследование согласуется со стратегическим планом NTU2025 и Манифестом устойчивого развития университета, где оно направлено на исследование и разработку новых технологий для более зеленого будущего.

Давая комментарий независимого эксперта, профессор Майкла Фама, профессор Уильям Чен, директор программы пищевых наук и технологий в NTU, сказал, что существует несколько способов борьбы с голодом в мире , в том числе путем увеличения количества производимой пищи или увеличения калорийности и пищевой ценности продуктов. производимая еда.

«В мире с ограниченными пахотными землями для сельского хозяйства необходимы передовые технологии для выращивания большего количества продуктов питания с более высокой питательной ценностью, если мы надеемся справиться с голодом в мире. Когда мы можем увеличить содержание жира в съедобных семенах и орехах, человек может съесть меньшее количество, но все же чувство сытости из-за увеличения потребляемых калорий», — сказал профессор Чен, эксперт по пищевой безопасности, не участвовавший в этом исследовании.

«Поэтому вместо того, чтобы выращивать больше сельскохозяйственных культур, чтобы накормить больше людей, мы должны также рассмотреть методы, при которых выращиваемые культуры содержат больше калорий и питательных веществ, чтобы такое же количество пищи могло накормить больше людей».