Biologen am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben einen neuen Weg aufgezeigt, den Ölgehalt von Pflanzenblättern und -samen zu erhöhen. Wie im Tagebuch beschrieben Neuer Phytologe, identifizierten und veränderten die Wissenschaftler erfolgreich Schlüsselbestandteile eines Proteins, das neu synthetisierte Öltröpfchen schützt. Die genetischen Veränderungen schützen im Wesentlichen das Ölschutzprotein, sodass sich mehr Öl ansammeln kann.
„Die Umsetzung dieser Strategie in Bioenergie- oder Ölpflanzen könnte dazu beitragen, die wachsende Nachfrage nach Biodieselkraftstoff und/oder ernährungsphysiologisch wichtigen Pflanzenölen zu decken“, sagte John Shanklin, Biochemiker am Brookhaven Lab, Vorsitzender der Biologieabteilung des Labors und Leiter der Forschung.
Shanklins Team arbeitet seit Jahren daran, die Ansammlung von Pflanzenöl zu steigern, insbesondere in Pflanzenteilen wie Blättern, die im Allgemeinen nicht viel Öl produzieren. Diese vegetativen Gewebe machen typischerweise den größten Teil der Pflanzenbiomasse aus.“
Eine Steigerung ihrer Fähigkeit, Öl anzusammeln, würde den Energiegehalt der Biomasse erheblich erhöhen. Und da Pflanzenöle wichtige Rohstoffe für die Herstellung von Biodiesel sind, könnte die Strategie Nutzpflanzen in umweltfreundliche Fabriken für die Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe verwandeln.
Drücken, ziehen, schützen
Der Fokus des Brookhaven-Teams lag vor allem auf der Umsetzung genetischer Strategien, die Pflanzenzellen biochemisch dazu bringen, mehr Öl zu produzieren und das neu synthetisierte Öl in Lipidtröpfchen einzulagern – anstatt es in die Bildung neuer Pflanzenteile zu transportieren.
„Sobald Öl hergestellt ist, kann es abgebaut werden, und der Grad der Akkumulation ist das Gleichgewicht zwischen Synthese und Abbau“, erklärte Shanklin.
Deshalb haben die Wissenschaftler auch einen dritten Ansatz gewählt: Sie steigern die Produktion von Proteinen, die Lipidtröpfchen vor dem Abbau schützen.
Ein solches von Pflanzen auf natürliche Weise hergestelltes Schutzprotein ist Oleosin. Oleosin wird in die Öltröpfchenmembran eingebettet und blockiert den Zugang zu Enzymen, den sogenannten Lipasen, die den Ölabbau einleiten.
„Wir und andere erhöhen typischerweise den Spiegel dieses kleinen Proteins, um die Lipidtröpfchen zu schützen“, sagte Shanklin.
Oleosin selbst kann jedoch abgebaut werden, was seine Wirksamkeit einschränkt. Deshalb machten sich Shanklin und sein Team in der neuen Arbeit daran, einen Weg zu finden, den Ölschutz zu schützen.
„Das war ein kompliziertes Rätsel, an dessen Lösung der Hauptautor Sanket Anaokar kreativ gearbeitet hat“, sagte Shanklin. Anaokar ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Brookhaven Lab im Programm des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), einem Bioenergie-Forschungszentrum unter der Leitung der University of Illinois Urbana-Champaign.
Degradationssignale löschen
„Wir kamen zu dem Schluss, dass wir, wenn wir die Teile des Oleosins identifizieren und entfernen könnten, die die Abbauenzyme erkennen – die Abbausignale –, dafür sorgen könnten, dass Oleosin anhaftet und die Ölansammlung fördert“, sagte Anaokar.
Mithilfe von Hinweisen anderer Gruppen, die dieses Problem mit einem anderen Ansatz angegangen waren, entwickelten die Wissenschaftler Varianten des Oleosin-Proteins und testeten deren Wirkung in Tabakblättern.
Das Team entwarf zunächst die Varianten, um alle Aminosäuren zu verändern, von denen angenommen wird, dass sie am Abbau von Oleosin beteiligt sind. Dann machten sie die Mutationen eine nach der anderen rückgängig und suchten nach den größten Veränderungen in der Ölansammlung. Letztendlich konnten sie so einige Schlüsselmutationen identifizieren, die Oleosin deutlich resistenter gegen den Abbau machten.
„Diese Veränderungen führten dazu, dass sich die unterschiedlichen Formen von Oleosin in höheren Konzentrationen anreicherten – was wiederum das Öl wirksamer schützte, sodass auch die Ölkonzentrationen anstiegen“, sagte Shanklin.
Pflanzen mit der erfolgreichsten Mischung genetischer Veränderungen sammelten im Vergleich zu nicht veränderten Pflanzen 54 % mehr Öl in ihren Blättern und 13 % mehr in ihren Samen.
Zufällige Überraschung
Ein überraschendes Ergebnis war, dass die Modifikationen zum Schutz der Öltröpfchen keine negativen Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum oder die Keimfähigkeit der Samen hatten. Dies war überraschend, da Pflanzensamen gespeichertes Öl abbauen müssen, um die Keimung und die frühen Stadien des Keimlingswachstums voranzutreiben – das heißt, bis sich die Pflanze etabliert hat und genügend Blätter gebildet hat, damit die Photosynthese einsetzt und weiteres Wachstum vorantreibt.
„Wir hatten zunächst Bedenken, dass die Verhinderung des Ölabbaus während der Samenentwicklung diesen ‚Etablierungs‘-Prozess behindern würde“, sagte Shanklin. „Aber wir haben herausgefunden, dass die Oleosin-Varianten die Etablierung nicht beeinflussen. Dies zeigt uns, dass die Pflanze während des frühen Wachstums einen anderen Mechanismus zum Abbau von Öl nutzt, damit die Sämlinge Zugang zu ihrer gespeicherten Energie erhalten.“
„Wir wissen noch nicht, was dieser Prozess ist, aber er ermöglicht uns die Verwendung von Oleosinvarianten, um die Ölansammlung in vegetativem Gewebe und Samen zu erhöhen, ohne das Wachstum der Sämlinge zu beeinträchtigen“, sagte Shanklin.
Mehr Informationen:
Die Expression von Genen, die für neue Sesam-Oleosin-Varianten kodieren, ermöglicht eine verstärkte Anreicherung von Triacylglycerin in Blättern und Samen von Arabidopsis. Neuer Phytologe (2024).