AMES, Iowa - Forschungsgruppen der Iowa State University und des Salk Institute for Biological Studies haben die Funktion von drei Pflanzenproteinen aufgedeckt. Diese Entdeckung könnte Pflanzenwissenschaftlern helfen, die Samenölproduktion in Kulturpflanzen zu steigern und so die Produktion von Lebensmitteln, biologisch erneuerbaren Chemikalien und Pflanzen zu fördern Biokraftstoffe.
Die Analyse der Genaktivität (durch die Iowa-Gruppe) und die Bestimmung der Proteinstrukturen (durch die Salk-Gruppe) identifizierten unabhängig in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) drei verwandte Proteine, die anscheinend am Fettsäurestoffwechsel beteiligt sind. Die Forscher von Iowa und Salk haben sich dann zusammengetan, um diese Hypothese zu testen und die Rolle dieser Proteine bei der Regulierung der Mengen und Arten der in Pflanzen angesammelten Fettsäuren zu demonstrieren. Die Forscher zeigten auch, dass die Wirkung der Proteine sehr temperaturempfindlich ist und dass diese Eigenschaft eine wichtige Rolle bei der Minderung des Temperaturstresses durch Pflanzen mithilfe von Fettsäuren spielen kann.
Die blauen Bereiche in dieser Ackerschmalwand zeigen an, wo das Fettsäure-bindende Protein-1-Gen exprimiert wird, so die Forscher des Staates Iowa. Die blauen Bereiche entsprechen auch Regionen, in denen die Pflanze hohe Fettsäuren synthetisieren würde. Mit freundlicher Genehmigung von Eve Syrkin Wurtele und Micheline Ngaki.
Die Entdeckung wird online auf nature.com, der Website der Zeitschrift Nature, veröffentlicht. Korrespondierende Autoren sind Eve Syrkin Wurtele, Professorin für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie am Iowa State; und Joseph Noel, Professor und Direktor des Jack H. Skirball-Zentrums für chemische Biologie und Proteomik am Salk-Institut in La Jolla, Kalifornien, und Ermittler am Howard Hughes Medical Institute.
"Diese Arbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Modulation der Fettsäureprofile in Pflanzen, was nicht nur für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion und -ernährung, sondern auch für biologisch erneuerbare Chemikalien und Brennstoffe von schrecklicher Bedeutung ist", sagte Noel.
„Da in der Pflanze mithilfe der Sonnenenergie sehr energiereiche Moleküle wie Fettsäuren entstehen, sind diese Moleküle möglicherweise die kostengünstigsten und effizientesten Quellen für biologisch erneuerbare Produkte“, fügte Wurtele hinzu.
Obwohl die Forscher jetzt verstehen, dass die drei Proteine - die sogenannten Fettsäure-bindenden Proteine eins, zwei und drei oder FAP1, FAP2 und FAP3 - an der Ansammlung von Fettsäuren in Pflanzengeweben wie Blättern und Samen beteiligt sind, so Wurtele weiter Ich verstehe den physikalischen Mechanismus, den diese Proteine auf molekularer Ebene anwenden, nicht. Dieses Wissen wird es den beiden kooperierenden Forschungsgruppen letztendlich ermöglichen, vorhersehbar bessere Funktionen in Pflanzen zu entwickeln.
Um die Funktion von Proteinen in Pflanzen zu identifizieren, nutzte die Wurtele-Forschungsgruppe ihre Expertise in Molekularbiologie und Bioinformatik (die Anwendung von Computertechnologien auf biologische Studien).
Ein Werkzeug, das die Forscher des Staates Iowa verwendeten, war MetaOmGraph, eine Software, die sie entwickelten, um große Mengen öffentlicher Daten über die Muster der Genaktivität unter verschiedenen Entwicklungs-, Umwelt- und genetischen Veränderungen zu analysieren. Die Software ergab, dass die Expressionsmuster der FAP-Gene denen von Genen ähneln, die Enzyme der Fettsäuresynthese codieren. Die Analysen zeigten auch, dass die Anreicherung von zwei der Proteine in den Regionen der Pflanze am höchsten ist, in denen die größte Menge Öl produziert wird. Diese Hinweise ließen die Forscher vorhersagen, dass die drei FAP-Proteine für die Ansammlung von Fettsäuren wichtig sind.
Die Forscher des Staates Iowa testeten diese Theorie dann experimentell, indem sie die Fettsäuren mutierter Pflanzen, denen die FAP-Proteine fehlen, mit denen normaler Pflanzen verglichen. Trotz des gesunden Aussehens der mutierten Pflanzen ist der Gesamtfettsäuregehalt höher als bei den normalen Pflanzen, und die Arten der Fettsäuren unterscheiden sich.
Micheline Ngaki von der Iowa State University (links) und Eve Syrkin Wurtele analysierten die Genaktivität der Ackerschmalwand, um die Rolle von drei Pflanzenproteinen bei der Regulierung der Mengen und Arten von Fettsäuren in Pflanzen zu identifizieren. Foto von Bob Elbert.
Noel und Forscher am Salk Institute verwendeten eine Vielzahl von Techniken - einschließlich Röntgenkristallographie und Biochemie -, um die Strukturen der FAP1-, FAP2- und FAP3-Proteine zu charakterisieren und um zu bestimmen, dass die Proteine Fettsäuren binden.
"Die Proteine scheinen wichtige fehlende Glieder im Metabolismus von Fettsäuren bei Arabidopsis zu sein und haben wahrscheinlich eine ähnliche Funktion bei anderen Pflanzenarten, da wir im gesamten Pflanzenreich die gleichen Gene finden", sagte Ryan Philippe, ein Postdoktorand in Noels Labor.
Erste Autoren der Arbeit sind Micheline Ngaki, Fulbright-Stipendiatin aus dem Kongo und Doktorandin in Genetik, Entwicklung und Zellbiologie im US-Bundesstaat Iowa. Gordon Louie, ein Wissenschaftler am Salk Institute; und Philippe. Weitere Mitarbeiter sind Ling Li, stellvertretender Professor im US-Bundesstaat Iowa und assoziierter Wissenschaftler in den Bereichen Genetik, Entwicklung und Zellbiologie. Gerard Manning, Direktor des Razavi Newman Center for Bioinformatics von Salk; und Marianne Bowman, Florence Pojer und Elise Larsen, Forscher des Howard Hughes Medical Institute im Salk's Skirball Center.
Das Projekt wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt, darunter das Engineering Research Center für biologisch erneuerbare Chemikalien mit Sitz im Bundesstaat Iowa, das National Cancer Institute, das Howard Hughes Medical Institute und Ngakis Fulbright Award. Zusätzliche Unterstützung kam vom Plant Sciences Institute des Staates Iowa.
Die Entdeckung der Verbindung zwischen den FAP-Proteinen und den Pflanzenfettsäuren könnte für Pflanzenwissenschaftler von großem Nutzen sein.
"Wenn die Forscher genau verstehen, welche Rolle die Proteine bei der Samenölproduktion spielen", sagte Ngaki, "könnten sie in der Lage sein, die Aktivität der Proteine in neuen Pflanzenstämmen zu modifizieren, die mehr Öl oder höherwertiges Öl produzieren als derzeitige Kulturen."
Wenn die drei Proteine Pflanzen dabei helfen, Stress zu regulieren, könnten Pflanzenwissenschaftler diese Eigenschaft nutzen, um Pflanzen zu entwickeln, die resistenter gegen Stress sind, sagte Wurtele. Dies könnte es den Landwirten ermöglichen, auf Grenzflächen, die nicht für den Anbau von Nahrungsmitteln geeignet sind, Pflanzen für biologisch erneuerbare Brennstoffe und Chemikalien anzubauen.
All dies, sagte sie, könne in biologischen Studien neue Richtungen weisen.
"Wir treten in das Zeitalter der prädiktiven Biologie ein", sagte Wurtele. "Das bedeutet, rechnergestützte Ansätze zu nutzen, um Genfunktionen abzuleiten, biologische Prozesse zu modellieren und die Folgen einer Veränderung eines einzelnen Gens auf das komplexe biologische Netzwerk eines Organismus vorherzusagen."
Neuauflage mit Genehmigung der Iowa State University.