Расти, дерево, большое и крепкое

Для хозяйственников, которые рассматривают лес как источник древесины, важно, чтобы деревья росли быстро. Не удовлетворяясь подбором быстрорастущих пород и селекцией, специалисты предлагают несколько вариантов генетической модификации, ускоряющей рост деревьев. Работать они предпочитают с разными видами тополей, поскольку эти деревья быстро растут и легко поддаются генетической трансформации.

В 2004 году испанские ученые из университета Малаги и Технологического парка Андалусии ввели в тополя ген глутаминсинтазы (ГС) сосны («New Phytologist», 2004, 164, 137—145). Исследователи рассудили, что рост растения зависит от его способности усваивать неорганический азот из почвы. Эта реакция идет при участии ГС, которая катализирует включение аммония в аминокислоту глутамин. Следовательно, чем больше фермента, тем он активнее, и тем быстрее будут расти деревья. И действительно, разница между трансгенными и контрольными деревцами была хорошо заметна с первого года, а на третий уже достигала 41% в высоту и 36% в диаметре. Рекордсмены были выше семи метров. Трансгены запасали много азота в стволе и листьях, их молодая листва содержала в два раза больше белков, в том числе ГС, чем в контроле. Различий в сроках цветения исследователи не обнаружили. Ученые полагают, что изменение экспрессии ГС поможет улучшить рост тополей для коммерческого применения.

Срез древесного ствола

Сотрудники Манчестерского и Даремского университетов под руководством профессора Саймона Тернера предложили ускорить деление клеток древесины, введя в растение дополнительные копии регуляторных генов («Current Biology», 2015, 25, 1050—1055, doi:10.1016/j.cub.2015.02.023). Древесина, она же ксилема, это сосудистая ткань, по которой поступают вода и минеральные вещества. Ее клетки образуются в результате деления клеток камбия — тонкого слоя регенеративной ткани между древесиной и флоэмой (лубом), тканью, по которой перемещаются синтезированные растением органические вещества (см. рисунок). Скорость их деления регулирует сигнальный каскад, который запускает белок — продукт гена CLE41, взаимодействуя с рецептором киназы PXY. Исследователи предположили, что усиленная экспрессия этих генов ускорит деление клеток камбия и, следовательно, рост дерева. Они ввели конструкции, содержащие дополнительные копии CLE41 и PXY, в кусочки листа гибрида осины обыкновенной Populus tremula и тополя осинообразного P. tremuloides. Когда на специальной среде из тканей листа стали формироваться растения и появились корешки, их пересадили в почву и выращивали в теплице. Оказалось, однако, что экспрессия генов должна быть тканеспецифичной. Обычно CLE41 работает во флоэме, PXY — в камбии. Их активность в других тканях трансгенного растения приводит к нарушению структуры древесины, а рост не ускоряет. Пришлось добиваться специфичности, подбирая регуляторные элементы.

Когда каждый из генов заработал только в той ткани, в которой положено, количество клеток древесины увеличилось уже на третьей неделе. Спустя полгода осинка выглядит как прутик с листьями, в этом возрасте трансгенные растения были на 35% толще и на 56% выше, чем контрольные. Отличались они и скоростью роста: в шесть месяцев каждый саженец имеет в среднем 90 междоузлий, а контрольные растения только 60. Длина междоузлий и площадь листьев у трансгенов тоже больше. Ускоренный рост сопровождается почти двукратным увеличением количества ксилемных клеток, при этом их размер и структура древесины не отличаются от нормы. Исследователи не исключают, что сигнальный путь PXY/CLE влияет и на другие аспекты развития растения.

Другая задача, решаемая генными инженерами, — добыча биотоплива из древесины. Его получают ферментацией целлюлозы, но этому процессу мешает другой полимер древесины, лигнин (о лигнине см. «Химию и жизнь», 2006, № 2). Он и сам не расщепляется, и загораживает ферментам доступ к целлюлозе. Исследователи разных стран активно изучают пути биосинтеза лигнина в растении. В результате им удалось повлиять на работу нескольких генов и получить тополя, древесина которых содержит на 20—50% меньше лигнина, чем обычно. К сожалению, сосуды у таких деревьев хрупкие, ломкие, нередко закупорены воздушными пузырями. Древесина и листья местами отмирают, дерево растет медленно и в конце концов погибает. Очевидно, деревья с низким содержанием лигнина не годятся для промышленного разведения

Структура лигнина

Специалисты из университета Британской Колумбии (Канада) и Университета Пердью (США) пошли иным путем. Они изменили качество лигнина, не влияя на его количество («New Phytologist», 2012, 194, 91—101, doi: 10.1111/j.1469-8137.2011.04031.x). Лигнин — сложный полимер. В лиственных породах его составляют в основном мономеры двух типов: 35% гваяциловых (G-субъединицы) и 65% сирингиловых (S-субъединицы). Исследователи получили трансгенные растения тополя с повышенной экспрессией гена ферулат-5-гидроксилазы (F5H), лигнин таких деревьев содержит до 93% S-единиц. S-лигнин легче поддается деградации. Исследователи подобрали режим предварительной обработки древесины, при котором S-лигнин деградирует, после чего целлюлоза почти полностью гидролизуется и эффективность получения биотоплива из такой древесины существенно возрастает. Поскольку содержание лигнина в ксилеме остается прежним, трансгенные деревья растут не хуже обычных и прекрасно себя чувствуют.