Des chercheurs du Brookhaven Nationwide Laboratory ont découvert la mutation qui rend les plantes Arabidopsis régulières (à gauche) déficientes en stérol (à droite). Ils font des expériences génétiques et biochimiques approfondies pour déterminer le rôle essentiel des stérols dans la formation de déchets pétroliers. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Scientifiques IDENTIFICATION Stérol essentiel pour l’accumulation d’huile essentielle dans la vie végétale
Les scientifiques qui souhaitent découvrir les détails montrant comment les plantes produisent et accumulent de l’huile ont identifié un nouveau composant important de la gamme d’assemblage. Ils ont découvert un stérol spécifique, une molécule associée au cholestérol, qui joue un rôle vital dans le développement de minuscules gouttelettes d’huile.
“Cette étude étend considérablement notre propre compréhension des facteurs moléculaires qui contrôlent la formation des gouttelettes lipidiques, qui sont des organites vitaux liés au stockage du pétrole et au métabolisme de tous les organismes eucaryotes”, a déclaré Changcheng Xu, le biologiste de l’Oughout. S. Department associé au Brookhaven Nationwide Laboratory d’Energy, qui a apporté l’étude. Les résultats, publiés dans Communication Nature , peut suggérer de toutes nouvelles façons de concevoir la teneur en huile particulière de la variété de cellules végétales.
La grande équipe du biologiste du laboratoire de Brookhaven, Changcheng Xu, a découvert des moyens d’amener les plantes à accumuler plus d’huiles dans les feuilles et vient, des cellules végétatives abondantes qui pourraient être récoltées et conçues pour des applications bioénergétiques. Pointage de crédit : Laboratoire national de Brookhaven
La tâche peut être particulièrement essentielle pour éclairer les stratégies architecturales génétiques visant à améliorer les articles oléagineux des feuilles et des tiges. Ces tissus floraux ne contiennent généralement pas d’huile, mais ils peuvent être conçus comme une source abondante d’huiles naturelles durables pour la fabrication de biocarburants et d’autres produits de base, selon les scientifiques.
Les résultats s’appliquent en outre au dépôt d’huile dans les graines de plantes, le principal endroit où les huiles s’accumulent normalement dans la vie végétale. Ces réservoirs naturels d’huiles végétales naturelles fournissent une nutrition aux embryons de plantes et aux semis, ainsi qu’aux animaux et aux êtres humains.
“Nous avons découvert qu’une carence dans le type particulier de stérol provoque une baisse de l’accumulation d’huile dans les graines et simplement dans les feuilles”, a déclaré Xu.
Feu vert relatif à la production de pétrole
Xu et son groupe travaillent depuis de nombreuses années pour augmenter l’accumulation d’huile dans les feuilles et les tiges des plantes.
« Les feuilles par rapport aux produits de semences sont beaucoup plus abondantes en tant que matériaux bioénergétiques possibles », a-t-il déclaré. « De plus, parce que l’huile essentielle des graines est utilisée pour l’alimentation, nous nous efforçons d’accumuler de l’huile essentielle et d’autres bioproduits de base dans les zones végétales autres que les graines, comme les feuilles et les tiges, afin d’éviter les concurrents entre la nourriture et l’essence. ”
Les gouttelettes brillent en vert : les scientifiques du laboratoire Brookhaven ont conçu des plantes d’Arabidopsis pour exprimer une protéine fluorescente écologique montée sur de l’oléosine, une protéine qui stabilise les gouttelettes lipidiques (LD). Dans la rangée supérieure, ces personnes LD sont faciles à placer sous un microscope à fluorescence dans des feuilles associées à des plantes témoins (à gauche) mais pas simplement dans des feuilles de mutants dépourvus de stérols (à droite). Les images au microscope électronique de la rangée inférieure montrent une augmentation de la taille de LD mais la diminution de la quantité de LD dans les graines associées aux mutants de stérol. Pointage de crédit : Laboratoire national de Brookhaven
L’équipe particulière a fait quelques progrès dans obtenir des feuilles pour accumuler des quantités substantielles associées à l’huile , en utilisant le laboratoire commun mis Arabidopsis.
Ils développeront un bon moyen de suivre l’accumulation d’huiles essentielles. Grâce à l’ingénierie héréditaire, ils ont développé des plantes d’Arabidopsis où une protéine fluorescente verte est toujours attachée à la protéine appelée oléosine. L’oléosine ne s’accumule qu’à la surface des gouttelettes lipidiques. Il forme une partie de la membrane autour de ces compartiments de stockage d’huile dans les cellules pour aider à les stabiliser. Si un échantillon de tissu mis en place (feuille, tige ou même graine) contient de minuscules gouttelettes lipidiques, elles se distinguent par de très petits points verts au microscope à fluorescence.
“Nous avons traité nos propres plantes d’Arabidopsis ayant un mutagène pour essayer de provoquer des mutations qui augmenteraient l’accumulation d’huile”, a déclaré Xu, utilisant la technique de fluorescence pour reconnaître les souches avec des points verts plus nombreux et plus gros.
Ironiquement, ces personnes ont fait leur découverte sur le stérol dans une souche d’Arabidopsis qui n’accumulera presque pas d’huile essentielle.
“L’objectif principal de la fonction actuelle était de déterminer quelle modification génétique a généralement déclenché cette chute spectaculaire de l’accumulation de pétrole”, a déclaré Xu. «Nous avons pensé que l’étude de ce gène pourrait nous donner quelques nouveaux gènes/protéines qui sont importants dans la formation de gouttelettes lipidiques ou même dans l’accumulation. ”
Indices de l’assemblage de la surface intérieure
À l’échelle microscopique, les chercheurs savent que de minuscules gouttelettes lipidiques se forment dans le « réticulum endoplasmique », ou même le RE, du matériel cellulaire. C’est un système interne de membranes à l’intérieur des cellules (pas la membrane particulière entourant la cellule particulière) qui fonctionne comme une sorte d’usine – assemblant et emballant différents matériaux tels que des protéines et des lipides sains.
Formation de gouttelettes d’huile essentielle : L’huile essentielle (jaune) s’accumule entre vos couches de la couche membranaire qui forme le réticulum endoplasmique (RE) particulier, un réseau de parois dans le cytoplasme associé aux cellules végétales. De minuscules gouttelettes se développent et finissent par toucher pour devenir suspendues dans le cytoplasme. Pourtant, ce processus ne se produit que dans certains microdomaines riches en stérols et en oléosines le long de la couche membranaire. Le groupe de Brookhaven émet l’hypothèse que le stérol est essentiel au développement de ces microdomaines formant des gouttelettes. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
De minuscules gouttelettes de stockage des lipides se forment lorsque l’huile essentielle commence à s’accumuler entre les deux couches de la membrane du RE, mais seulement dans certaines parties du RE. En fin de compte, lorsque suffisamment d’huile essentielle est présente, les petits morceaux de la couche de membrane se pincent et ne laissent pas l’huile essentielle encapsulée dans des compartiments autonomes.
Comme le montre l’étude de Brookhaven, l’étude de la plante qui n’accumule pas ces gouttelettes lipidiques peut donner des indications sur les aspects biochimiques qui régissent le processus particulier et sur ce qui est exclusif aux domaines IM OR HER particuliers où cela se produit.
Se concentrer sur le gène
Pour déterminer quelle mutation a généralement déclenché la chute spectaculaire de l’accumulation de pétrole, l’équipe de Brookhaven a utilisé une technique connue sous le nom de clonage positionnel, une façon d’examiner chaque région associée aux chromosomes pour identifier un gène particulier responsable d’une caractéristique d’intérêt. La méthode a restreint la recherche à une zone spécifique dans l’un des chromosomes de la plante.
“Cette zone contient encore d’innombrables gènes candidats”, a déclaré Xu.
Après avoir utilisé le séquençage du génome entier pour rechercher tout type de mutation dans cette région, l’équipe a identifié le gène qu’elle pensait impliqué. Le gène particulier code pour avoir une enzyme responsable d’une étape biochimique particulière dans la synthèse à plusieurs étapes particulière associée au stérol, un produit chimique lié au cholestérol présent dans le RE et d’autres membranes mobiles.
Simplement en « éliminant » sélectivement l’édition normale (non mutée) de ce gène, les scientifiques particuliers ont pu reproduire l’effet de la veränderung. C’est-à-dire que les plantes avec tous les gènes éliminés n’ont accumulé aucune gouttelette lipidique. De plus, l’inclusion du gène non muté a restauré l’accumulation de gouttelettes d’huile essentielle.
“Cette expérience a fourni des preuves claires que le stérol joue un rôle important dans le développement des gouttelettes d’huile”, a déclaré Xu.
Mais les scientifiques sont allés plus loin. Ils ont également recherché ce qui se passerait lorsqu’ils muteraient des gènes concernant des enzymes «en amont» avec cette enzyme particulière dans la voie d’activité des stérols en plusieurs étapes. Et ils ont marqué des niveaux de stérol au cours de ces mutants.
Les études détaillées particulières leur ont permis de se concentrer sur le type spécifique de stérol qui, chaque fois qu’il est déficient, entraîne une réduction de l’accumulation d’huile.
Des mutations dans exactement les mêmes gènes ont entraîné une diminution de l’accumulation d’huile dans les feuilles et les produits des graines. Dans les graines, là où les gouttelettes lipidiques sont généralement plus faciles à voir, les scientifiques ont également effectué des études quantitatives des formes et des tailles.
Les uns avec les autres, les résultats fournissent la preuve d’un rôle universel pour ce stérol particulier dans la formation de déchets lipidiques.
“Nous pensons que ce stérol est vital pour le développement d’un microdomaine au sein de la membrane du RE qui est impliqué dans la formation associée aux gouttelettes lipidiques”, a déclaré Xu. « La carence en stérol entraîne un problème de formation sur ce microdomaine. ”
Maintenant qu’ils comprennent ce qui se passe lorsque ces gènes sont désactivés, les scientifiques suggèrent que les moyens de les activer et d’augmenter leur propre expression pourraient être un bon moyen d’augmenter le dépôt d’huile dans les feuilles, les tiges ou les graines.
L’équipe va explorer ces techniques dans de futurs tests.
Référence : « Les stérols sont requis pour l’assemblage apparié de gouttelettes lipidiques lors de la création de graines » 22 septembre 2021, Communication Nature .
DOI : dix. 1038/s41467-021-25908-6
Ce travail particulier a été financé par le DOE Workplace of Science (BES).
