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Les scientifiques identifient les stérols nécessaires à l’accumulation d’huile dans les plantes

Des scientifiques du Brookhaven National Laboratory ont découvert une mutation qui rend les plantes normales d’Arabidopsis (à gauche) déficientes en stérols (à droite). Ils ont mené des expériences génétiques et biochimiques à grande échelle pour déterminer le rôle essentiel des stérols dans la formation de gouttelettes d’huile. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Les scientifiques cherchant à élucider les détails de la façon dont les plantes produisent et accumulent le pétrole ont identifié un nouveau composant clé de la chaîne de montage. Ils ont découvert un stérol spécifique – une molécule liée au cholestérol – qui joue un rôle clé dans la formation de gouttelettes d’huile.


“Cette recherche élargit considérablement notre compréhension des facteurs moléculaires qui régissent la formation de Graisses gouttes de pulvérisationCe sont des organites vitaux pour le stockage et le métabolisme du pétrole chez tous les eucaryotes, a déclaré Changqing Xu, biologiste au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’Énergie, qui a dirigé l’étude. Connexions naturelles, peut suggérer de nouvelles façons de modifier la teneur en huile d’une variété de tissus végétaux.

Le travail peut être particulièrement important pour éclairer les stratégies de génie génétique visant à augmenter la teneur en huile des feuilles et des tiges. ces tissu végétal Les huiles ne s’accumulent généralement pas, mais elles peuvent être conçues comme une source abondante d’huiles durables pour fabriquer des biocarburants et d’autres produits de base, selon les scientifiques.

Les résultats s’appliquent également à l’accumulation d’huile dans graines de plantes, Le principal endroit où les huiles s’accumulent naturellement dans les plantes. Ces réservoirs naturels d’huiles végétales nourrissent les embryons et les semis des plantes, ainsi que les animaux et les humains.

“Nous avons constaté qu’une carence d’un certain type de stérol entraîne une diminution de l’accumulation d’huile dans les graines et les feuilles”, a déclaré Xu.

Production de pétrole feu vert

Xu et son équipe travaillent depuis des années pour augmenter l’accumulation d’huile dans les feuilles et les tiges des plantes.

« Les feuilles sont plus abondantes que les graines en tant que matériaux bioénergétiques potentiels », a-t-il noté. « De plus, parce que l’huile des graines est utilisée pour l’alimentation, nous empilons l’huile et d’autres bioproduits de base dans les parties non-graines des plantes – telles que les feuilles et les tiges – pour éviter la concurrence entre la nourriture et le carburant. »

Les scientifiques identifient les stérols nécessaires à l'accumulation d'huile dans les plantes

Les gouttelettes brillent en vert : les scientifiques du laboratoire Brookhaven conçoivent des plantes d’Arabidopsis pour exprimer la protéine fluorescente verte se liant à l’oléocine, une protéine qui stabilise les gouttelettes lipidiques (LD). Dans la rangée du haut, ces LD sont faciles à identifier au microscope à fluorescence dans les feuilles des plantes témoins (à gauche) mais pas dans les feuilles des mutants dépourvus de stérols (à droite). Les micrographies électroniques de la rangée inférieure montrent une augmentation de la taille de LD mais une diminution du nombre de LD dans les graines de mutants de stérol. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

L’équipe a fait des progrès dans Obtenir des papiers pour accumuler de grandes quantités d’huile, en utilisant le laboratoire commun d’Arabidopsis.

Ils ont développé un moyen élégant de garder une trace de l’accumulation d’huile. Grâce au génie génétique, ils ont créé des plantes d’Arabidopsis où une protéine fluorescente verte Il est toujours lié à une protéine appelée oléocine. L’oléosine ne s’accumule qu’à la surface des gouttelettes lipidiques. Il fait partie de la membrane entourant les pièces de stockage d’huile intracellulaire pour aider à les stabiliser. Si un échantillon de tissu végétal (feuilles, tiges ou graines) contient des gouttelettes de sébum, elles se distinguent par de minuscules points verts au microscope à fluorescence.

“Nous avons traité les plantes d’Arabidopsis avec un mutagène pour essayer d’induire des mutations qui augmenteraient l’accumulation d’huile”, a déclaré Xu, en utilisant la technique de fluorescence pour identifier les souches avec des taches vertes plus nombreuses et/ou plus grandes.

Ironiquement, ils ont fait leur découverte sur les stérols de la souche Arabidopsis qui n’accumulaient presque pas d’huile.

“L’objectif principal des travaux en cours était de découvrir quelle modification génétique a causé cette réduction significative de l’accumulation de pétrole”, a déclaré Shaw. “Nous avons pensé que le traçage de ce gène pourrait nous donner de nouveaux gènes/protéines importants dans la formation ou l’accumulation de gouttelettes lipidiques.”

Preuve pour l’assemblage interne

Au niveau microscopique, les scientifiques savent que des gouttelettes lipidiques se forment dans le « réticulum endoplasmique », ou RE, des cellules. C’est un réseau interne de membranes intracellulaires (pas la membrane entourant la cellule) qui agit comme une sorte d’usine – recueillant et mobilisant diverses substances telles que les protéines et les lipides.

Des gouttelettes de stockage de lipides se forment lorsque l’huile commence à s’accumuler entre les deux couches de la membrane du RE, mais seulement dans certaines zones du RE. Finalement, lorsqu’il y a suffisamment d’huile, les petites sections de la membrane se détachent, laissant l’huile encapsulée dans des compartiments autonomes.

Comme le montre l’étude de Brookhaven, l’étude d’une plante dans laquelle ces gouttelettes lipidiques ne s’accumulent pas pourrait fournir des indices sur les facteurs biochimiques à l’origine du processus – et ce qui est unique aux domaines particuliers du RE où elles se produisent.

Les scientifiques identifient les stérols nécessaires à l'accumulation d'huile dans les plantes

Composition des gouttelettes d’huile : L’huile (jaune) s’accumule entre les couches de la membrane qui forme le réticulum endoplasmique (RE) – un réseau de membranes dans le cytoplasme des cellules végétales. Les gouttelettes se développent et finissent par se pincer pour se mettre en suspension dans le cytoplasme. Mais ce processus ne se produit que dans certains des microdomaines riches en stérols et en oleucine le long de la membrane. L’équipe de Brookhaven émet l’hypothèse que les stérols sont essentiels à la formation de ces domaines de formation de fines gouttelettes. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

disparition du gène

Pour découvrir quelle mutation a causé la baisse spectaculaire de l’accumulation de pétrole, l’équipe de Brookhaven a utilisé une technique connue sous le nom de clonage in situ – une méthode de recherche de chaque région d’un chromosome pour identifier un gène spécifique responsable d’une caractéristique d’intérêt. La technique a restreint la recherche à une région spécifique dans l’un des chromosomes de la plante.

“Cette région contient encore des centaines de gènes candidats”, a déclaré Xu.

Après avoir utilisé le séquençage du génome entier pour rechercher toute mutation dans cette région, l’équipe a identifié le gène suspecté d’être impliqué. Codes génétiques pour l’enzyme responsable d’une seule étape biochimique de la synthèse en plusieurs étapes du stérol, une molécule liée au cholestérol que l’on trouve dans le RE et d’autres membranes cellulaires.

En “touchant” sélectivement la copie normale (non développée) de ce gène, les scientifiques ont pu reproduire l’effet de la mutation. c’est ça, les plantes Avec le gène soustrait, les gouttelettes lipidiques ne s’accumulent pas. De plus, l’ajout du gène non développé a ré-accumulé les gouttelettes d’huile.

“Cette expérience a fourni des preuves claires que les stérols jouent un rôle essentiel dans la formation de gouttelettes d’huile”, a déclaré Shaw.

Mais les scientifiques sont allés plus loin. Ils ont également étudié ce qui se passerait s’ils développaient des gènes pour des enzymes « en amont » de cette enzyme particulière dans la voie de synthèse des stérols en plusieurs étapes. Ils ont mesuré les niveaux de stérols dans ces mutations.

Des études détaillées leur ont permis de se concentrer sur un type spécifique de stérol qui, lorsqu’il est déficient, entraîne une réduction de l’accumulation d’huile.

Les scientifiques identifient les stérols nécessaires à l'accumulation d'huile dans les plantes

Le biologiste de Brookhaven Lab Changcheng Zhou et son équipe ont exploré des moyens de faire en sorte que les plantes accumulent plus d’huiles dans les feuilles et les tiges, des tissus végétaux abondants qui peuvent être récoltés pour des applications bioénergétiques. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Des mutations dans les mêmes gènes ont entraîné une diminution de l’accumulation d’huile dans les feuilles et les graines. Dans les graines, où les gouttelettes de graisse sont faciles à voir, les scientifiques ont également mené des études quantitatives sur leurs formes et leurs tailles.

Ensemble, les résultats fournissent des preuves du rôle global de ce stérol particulier dans la formation de gouttelettes lipidiques.

“Nous pensons que ce stérol est vital pour la formation de microdomaines dans la membrane du RE qui est impliquée dans la formation de gouttelettes lipidiques”, a déclaré Shaw. “pénurie de stérols Cela conduit à un défaut dans la formation d’une si petite sphère.

Maintenant qu’ils savent ce qui se passe avec eux gènes Les scientifiques suggèrent que des stratégies pour l’activer et intensifier son expression pourraient être un moyen d’augmenter l’accumulation d’huile dans les feuilles, les tiges ou les graines.

L’équipe explorera ces stratégies dans des expériences futures.


Les cellules végétales mangent leurs membranes et des gouttelettes d’huile


Plus d’information:
« Les stérols sont nécessaires à l’assemblage coordonné de gouttelettes lipidiques dans les graines en croissance. » Connexions naturelles (2021). DOI : 10.1038 / s41467-021-25908-6

la citation: Scientists ID Sterols Necessary for Oil Accumulation in Plants (2021, 22 septembre) Récupéré le 22 septembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-09-scientists-id-sterol-essential-oil.html

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