Ученые уже давно работают над созданием новых устойчивых источников растительных масел, известных как триацилглицерины (англ. triacylglycerols (TAG)), чтобы удовлетворить растущий спрос на возобновляемые виды топлива, включая устойчивое авиационное топливо и возобновляемое дизельное топливо.
В настоящее время масличная пальма и семена масличных, такие как соя, обеспечивают большую часть TAG для возобновляемого топлива, но эти источники сами по себе не могут удовлетворить будущие мировые потребности. Чтобы решить эту проблему, исследователи занимаются разработкой трав с высокой биомассой, таких как сорго, для производства масла. Эти травы очень эффективны в фотосинтезе, производят большое количество биомассы и могут расти в суровом климате, что делает их отличными кандидатами.
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Plant Biotechnology Journal, ученые CABBI описывают технологию создания сорго с высоким содержанием TAG. Исследователи спроектировали сорго так, чтобы оно накапливало до 5,5% сухого веса TAG в своих листьях и 3,5% сухого веса в своих стеблях в полевых условиях — в 78 и 58 раз больше, чем немодифицированное сорго соответственно. Такой уровень производства может обеспечить примерно в 1,4 раза больше масла на гектар, чем соевые бобы, что делает его перспективным новым сырьем для возобновляемого топлива.
«Эта работа является кульминацией большой командной работы, которая демонстрирует, как фундаментальные исследования могут быть использованы для разработки нового сырья для сельскохозяйственных культур для удовлетворения глобальных потребностей в энергии», - сказал Эдгар Кахун, директор Центра инноваций в области растениеводства в Университете Небраски и один из авторов-корреспондентов статьи. Кахун работал с Киюлом Парком, старшим научным сотрудником кафедры биохимии в Университете Небраски и ведущим автором статьи; Томом Клементе, заслуженным профессором биотехнологии имени Юджина В. Прайса в Университете Небраски и в сотрудничество со многими экспертами CABBI.
В отличие от богатых маслом семян и плодов таких растений, как масличная пальма и соя, TAG обычно накапливаются только в вегетативных органах растения (листьях и стеблях) в качестве реакции на стрессовое повреждение мембраны.
Чтобы спроектировать сорго для накопления растительного масла, команда использовала стратегию «push-pull-protect», которую исследователи CABBI ранее использовали для увеличения накопления растительного масла в других растениях . Они ввели гены, чтобы «выталкивать» больше углерода из фотосинтеза в производство масла, «втягивать» жирные кислоты в молекулы TAG и «защищать» хранящееся масло от распада. Этот подход основывался на предыдущих успехах с другими культурами, сосредоточившись на сорго из-за его устойчивости к жаре и засухе и хорошо изученного генома.
Используя передовые методы переноса генов, ученые CABBI вывели линии сорго, которые при выращивании в полевых условиях в Центре исследований, распространения знаний и образования Восточной Небраски не только поддерживали стабильную выработку масла на протяжении нескольких поколений, но и избегали сокращения биомассы, наблюдаемого в аналогичных исследованиях с другими биомассовыми культурами.
Эти недавно разработанные линии масляного сорго предоставляют потенциальные новые источники сырья для возобновляемого топлива, снижая зависимость от традиционных масличных культур и удовлетворяя растущий спрос на возобновляемую энергию. И это масличное сорго также имеет потенциал для предоставления новых источников дохода и рынков для фермеров. Биопереработка масличного сорго открывает новые пути для стимулирования биоэкономики и поддержки жизнеспособности сельской местности.
Исследовательская группа продолжит изучать способы дальнейшего увеличения выхода масла, чтобы достичь цели CABBI по выращиванию культур с содержанием TAG 10% по сухому весу.
«Основа для дальнейшего улучшения урожайности ТАГ будет зависеть от глубокого анализа эффектов подхода метаболической инженерии «push-pull-protect», примененного в исследовании, - сказал Йорг Швендер, старший научный сотрудник группы по изучению растений в Брукхейвенской национальной лаборатории и еще один автор-корреспондент статьи. - Например, в текущем исследовании группа использовала секвенирование полного транскриптома методом дробовика (или секвенирование РНК), метод, который анализирует активность тысяч генов одновременно в образцах тканей».
Этот анализ показал, что линии масличного сорго увеличивают выработку фермента в своих листьях, который расщепляет липиды, и, как таковой, вероятно, также атакует TAG.
Дальнейший анализ метаболического потока с изотопными трассерами подтвердил, что липиды, хотя и производятся с большей скоростью в листьях масляного сорго, в то же время быстрее разрушаются. Эти результаты, вероятно, можно перевести в усовершенствованную инженерную стратегию, которая еще больше увеличит уровень масла. Исследовательская группа стремится усовершенствовать этот подход, чтобы сделать сорго надежным, устойчивым сырьем для биотоплива.
«Обширность опыта CABBI позволила нам взять концепцию из лаборатории и применить ее на практике для производства в полевых условиях нового сырья для биоэнергии и биопродуктов», - заключил Кахун.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Эйприл Вендлинг.
На фото Хёджин Ким упаковывает метелки сорго - важный шаг для полевых испытаний трансгенного сорго, соответствующего требованиям APHIS. Автор фото: Эдгар Кахун.
