Rýže obohacená o lignin

23.4.2019 |

Lignocelulózová biomasa z buněčných stěn rostlin je nejrozšířenějším obnovitelným zdrojem. Ligniny, které tvoří 15 - 30 % lignocelulózové biomasy, vyplňují meziprostory polysacharidů rostlinných buněčných stěn, tedy celulózy a hemicelulózy. Jejich hlavní funkcí je udržení mechanické pevnosti a nepropustnosti stěn rostlinných buněk. Zvýšení obsahu ligninu má pozitivní vliv na růst rostlin i jejich vlastnosti, např. zvýšenou odolnost proti poléhání, které zapříčiňuje výrazné ztráty na výnosech, dále zvýšenou rezistenci vůči hmyzu a toleranci vůči zvýšenému obsahu soli.

Šlechtění za účelem obohacování ligninu v biomase má za cíl zlepšit biorafinační proces, tj. ekonomicky výhodný a ekologicky šetrný způsob získávání produktů z biomasy. Biomasa se zvýšeným obsahem ligninů je vhodná pro výrobu tuhých biopaliv a je významným zdrojem cenných aromatických sloučenin. Tyto produkty jsou využitelné v řadě odvětví zemědělského, potravinářského, farmaceutického a kosmetického průmyslu.

Navzdory skutečnosti, že traviny patří mezi slibné lignocelulózové suroviny, jsou zatím k dispozici pouze omezené informace pro molekulární šlechtitelské metody umožňující upregulaci biosyntézy ligninu u travních druhů. Touto problematikou se zabývali vědci z Kyoto University a Tokushima University v Japonsku, kteří se zaměřili na vývoj transgenní rýže obohacené o lignin, a to prostřednictvím cílené mutagene transkripčního represoru OsMYB108 pomocí metody editace genomu CRISPR/Cas9.

Ve své studii publikované v časopise The Plant Journal uvedli, že mutant rýže s knockoutem represoru OsMYB108 vykazoval zvýšenou expresi genů uplatňujících se v biosyntéze ligninu a zároveň i zvýšenou depozici ligninu v buněčných stěnách. Pomocí chemické analýzy a dvourozměrné nukleární magnetické rezonance (NMR) bylo zjištěno, že stěny mutantních buněk byly obohaceny především v c-p-kumaroylovaných a tricinových ligninových jednotkách, které jsou typickými a jedinečnými složkami travních ligninů. Zároveň vědci nezjistili žádný významný rozdíl ve stavbě buněčné stěny mezi divokým typem a mutantními rostlinami.

Ve studii byly stanoveny hladiny exprese genů OsC4H2, OsCAldOMT1 a OsCAD uplatňujících se v biosyntéze monolignolu (fytochemikálie uplatňující se v biosyntéze ligninu) a genů OsCHS, OsCHI, OsC50H a OsFNSII účastnících se přeměny flavonoligninů na travní ligniny. Exprese genů byly hodnoceny v liniích jak divokého typu, tak i mutantních rostlin pomocí kvantitativní polymerázové řetězové reakce (qPCR), jež umožňuje kvantifikaci sledovaného genu v reálném čase. Výsledky této analýzy ukázaly, že hladiny exprese téměř všech testovaných genů byly vyšší v mutantních liniích OsMYB108-CRISPR než u divokého typu rýže.

Výsledky studie tak potvrdily roli represoru OsMYB108 v regulaci tvorby ligninu a díky možnosti jeho mutace i příležitost zvýšit obsah ligninu v rostlinách. Vědcům se tak podařilo pomocí editace genomu vyvinout a charakterizovat druh rýže, který může zvýšit využití biomasy v biorafinačních procesech.

Zdroj:

Takuji Miyamoto, Rie Takada, Yuki Tobimatsu, Yuri Takeda, Shiro Suzuki, Masaomi Yamamura, Keishi Osakabe, Yuriko Osakabe, Masahiro Sakamoto and Toshiaki Umezawa: OsMYB108 loss-of-function enriches p-coumaroylated and tricin lignin units in rice cell walls, The Plant Journal, doi: 10.1111/tpj.14290.