ブルックヘブン国立研究所の科学者は、正常なシロイヌナズナ植物 (左) をステロール欠乏 (右) にする変異を発見しました。彼らは、油滴形成におけるステロールの重要な役割を確立するために、広範な遺伝的および生化学的実験を行いました.クレジット:ブルックヘブン国立研究所
植物の油蓄積に不可欠なステロールを科学者が同定
植物が油を生産し、蓄積する方法の詳細を解明しようとしている科学者は、組み立てラインの新しい必須コンポーネントを特定しました。彼らは、油滴の形成に重要な役割を果たす特定のステロール (コレステロールに関連する分子) を発見しました。
米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所の生物学者である Changcheng Xu 氏は、次のように述べています。誰が研究を主導したか。 Nature Communications に掲載された調査結果 、さまざまな植物組織の油分を操作する新しい方法を提案する可能性があります.
ブルックヘブン研究所の生物学者である Changcheng Xu と彼のチームは、植物が葉や茎、つまりバイオエネルギー用途のために収穫できる豊富な栄養組織により多くの油を蓄積させる方法を模索してきました。クレジット:ブルックヘブン国立研究所
この研究は、葉や茎の油分を増やすことを目的とした遺伝子工学戦略に情報を与えるために特に重要かもしれません.これらの植物組織は通常、油を蓄積しませんが、バイオ燃料やその他の商品を製造するための持続可能な油の豊富な供給源として設計できる可能性があると、科学者は述べています。
この調査結果は、植物の種子に油が蓄積することにも当てはまります。これは、油が植物に自然に蓄積する主な場所です。これらの植物油の自然貯蔵庫は、動物や人間だけでなく、植物の胚や苗木にも栄養を供給します.
「特定の種類のステロールが欠乏すると、種子や葉の油の蓄積が低下することがわかりました」と Xu 氏は述べています。
石油生産の青信号
Xu と彼のチームは、植物の葉と茎の油の蓄積を増やすために何年も取り組んできました.
「種子と比較して、葉は可能なバイオエネルギー材料としてはるかに豊富です」と彼は指摘しました. 「また、種子に含まれる油は食物に使用されるため、食物と燃料の競合を避けるために、植物の種子以外の部分 (葉や茎など) に油やその他のコモディティ バイオ製品を蓄積するように取り組んでいます。」
液滴が緑色に光る:Brookhaven Lab の科学者は、脂質液滴 (LD) を安定化させるタンパク質であるオレオシンに結合した緑色蛍光タンパク質を発現するようにシロイヌナズナ植物を設計しました。上の列では、これらの LD は、対照植物の葉 (左) では蛍光顕微鏡下で簡単に見つけることができますが、ステロールが欠損した突然変異体の葉 (右) では見つけられません。下段の電子顕微鏡画像は、ステロール変異体の種子の LD サイズの増加と LD 数の減少を示しています。クレジット:ブルックヘブン国立研究所
チームは、共通の実験植物であるシロイヌナズナを使用して、葉にかなりの量の油を蓄積させることにおいて、いくつかの進歩を遂げました.
彼らは、油の蓄積を追跡する巧妙な方法を開発しました。彼らは、遺伝子工学によって、緑色蛍光タンパク質が常にオレオシンと呼ばれるタンパク質に結合しているシロイヌナズナ植物を作成しました。オレオシンは脂肪滴の表面にのみ蓄積します。細胞内のこれらの油貯蔵コンパートメントを囲む膜の一部を形成し、それらを安定させるのに役立ちます.植物組織 (葉、茎、または種子) のサンプルに脂肪滴が含まれている場合、それらは蛍光顕微鏡下で小さな緑色の点として目立ちます。
「私たちはシロイヌナズナを変異原物質で処理して、油の蓄積を増加させる突然変異を引き起こそうとしました」と Xu 氏は言い、蛍光技術を使用して緑色の点が多い株や大きい株を特定しました。
皮肉なことに、彼らは油をほとんど蓄積しないシロイヌナズナ株でステロールを発見しました。
「現在の研究の主な目的は、どの遺伝子組み換えがこの劇的な油蓄積の減少を引き起こしたかを解明することでした」と Xu は言いました. 「この遺伝子を追跡することで、脂肪滴の形成または蓄積に重要な新しい遺伝子/タンパク質が得られる可能性があると考えました。」
内装組み立ての手がかり
顕微鏡スケールでは、科学者は脂肪滴が細胞の「小胞体」または ER で形成されることを知っています。これは細胞内の膜の内部ネットワーク (細胞を取り囲む膜ではない) であり、一種の工場のように機能し、タンパク質や脂質などのさまざまな材料を組み立ててパッケージ化します。
油滴の形成:油 (黄色) は、植物細胞の細胞質内の膜のネットワークである小胞体 (ER) を形成する膜の層間に蓄積します。液滴は成長し、最終的にピンチオフして細胞質に浮遊します。しかし、このプロセスは、膜に沿ったステロールとオレオシンが豊富な特定のマイクロドメインでのみ発生します. Brookhaven のチームは、ステロールがこれらの液滴形成マイクロドメインの形成に不可欠であるという仮説を立てています。クレジット:ブルックヘブン国立研究所
ER 膜の 2 つの層の間に油が蓄積し始めると、脂質貯蔵液滴が形成されますが、これは ER の特定の領域に限られます。最終的に、十分な量のオイルが存在すると、小さな膜の破片がはがれ、自己完結型のコンパートメントにカプセル化されたオイルが残ります。
Brookhaven での研究が示すように、これらの脂肪滴を蓄積しない植物を研究することは、プロセスを駆動する生化学的要因、およびそれが発生する特定の ER ドメインの独自性についての手がかりを提供できます。
遺伝子に焦点を当てる
ブルックヘブンのチームは、どの突然変異が油の蓄積の劇的な減少を引き起こしたかを突き止めるために、ポジショナル クローニングと呼ばれる手法を使用しました。この技術は、検索を植物の染色体の 1 つの特定の領域に絞り込みました。
「この領域にはまだ何百もの候補遺伝子が含まれています」と Xu 氏は言いました。
全ゲノムシーケンシングを使用してこの領域の変異を検索した後、チームは関与していると思われる遺伝子を特定しました。この遺伝子は、小胞体やその他の細胞膜に見られるコレステロールに関連する分子であるステロールの多段階合成における 1 つの生化学的段階を担う酵素をコードしています。
この遺伝子の正常な（変異していない）バージョンを選択的に「ノックアウト」することにより、科学者は変異の効果を複製することができました.つまり、遺伝子をノックアウトした植物は脂肪滴を蓄積しませんでした。さらに、変異していない遺伝子を元に戻すと、油滴の蓄積が回復しました。
「この実験は、ステロールが油滴の形成に不可欠な役割を果たすという明確な証拠を提供しました」と Xu 氏は言いました。
しかし、科学者たちはさらに先に進みました。彼らはまた、多段階のステロール合成経路において、この特定の酵素の「上流」にある酵素の遺伝子を変異させた場合に何が起こるかを研究しました.そして彼らはこれらの突然変異体のステロールレベルを測定しました.
詳細な研究により、不足すると油の蓄積が少なくなる特定のタイプのステロールに焦点を当てることができました.
同じ遺伝子の変異により、葉と種子の油の蓄積が減少しました。脂肪滴が見やすい種子では、科学者はその形状とサイズの定量的研究も行いました.
これらの結果を総合すると、脂肪滴形成におけるこの特定のステロールの普遍的な役割の証拠が得られます。
「このステロールは、脂肪滴の形成に関与する ER 膜のマイクロドメインの形成に不可欠であると考えています」と Xu 氏は述べています。 「ステロールが不足すると、そのようなマイクロドメインの形成に欠陥が生じます。」
これらの遺伝子がオフになると何が起こるかがわかったので、科学者たちは、それらをオンにして発現を増加させる戦略が、葉、茎、または種子の油の蓄積を増加させる1つの方法である可能性があることを示唆しています.
チームは、今後の実験でこれらの戦略を検討します。
参照:「ステロールは、種子の発育における脂肪滴の調整された集合に必要です」リンホイ ユー、ジリアン ファン、チャオ チョウ、チャンチェン シュー著、2021 年 9 月 22 日、Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-021-25908-6
この研究は、DOE 科学局 (BES) によって資金提供されました。
