CIENTÍFICOS IDENTIFICAN GENES CLAVES PARA AUMENTAR EL CONTENIDO DE ACEITE EN LAS HOJAS DE LOS VEGETALES.

La acumulación de aceite en las hojas podría aumentar significativamente el contenido energético de los biocombustibles y de los alimentos de origen vegetal
18 de octubre 2013.

Científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven han identificado los genes clave que se requieren para la producción de aceite y la acumulación en las hojas de las plantas y otros tejidos vegetales vegetativos. La potenciación de la expresión de estos genes como consecuencia en un aumento enorme en el contenido de aceite en las hojas, las fuentes más abundantes de la planta de biomasa, un hallazgo que podría tener implicaciones importantes para aumentar el contenido energético de los alimentos de origen vegetal y materias primas renovables para biocombustibles. La investigación se describe en dos nuevas publicaciones en The Plant Journal y Plant Cell.

"Si podemos trasladar esta estrategia a las plantas de cultivo que se utilizan para generar energía renovable o para alimentar al ganado, que aumentaría significativamente su contenido energético y los valores nutricionales", dijo el bioquímico Changcheng Xu, quien dirigió la investigación. Los experimentos se llevaron a cabo en gran parte por los miembros del grupo de Xu, Jilian Fan y Chengshi Yan.

Piense en ello en términos conocidos de calorías: El aceite es dos veces tan denso en energía como en carbohidratos, que constituyen la mayor parte de las hojas, tallos y otras materias vegetativas vegetal. "Si quiere reducir las calorías de su dieta, usted reduce la grasa y los aceites. Por el contrario, si desea aumentar el rendimiento calórico de su biocombustibles o pienso para el ganado, usted quiere más aceite", dijo Xu.

El aumento de la acumulación de aceite en las hojas: La sobre expresion del gen de PDAT, una enzima implicada en la producción de aceite,  causa que las hojas de la planta  acumule grandes cantidades de aceite en grandes glóbulos (izquierda). Cuando los científicos también añadieron un gen para la olesina, una proteína conocida para encapsular gotas de aceite (fusionado a la proteína fluorescente verde para confirmar su ubicación), las agrupaciones de las más pequeñas , formaron gotas de aceite más estables (derecha).

Pero las plantas no suelen almacenar mucho aceite en sus hojas y otros tejidos vegetativos. En la naturaleza, el almacenamiento de aceite es el trabajo de las semillas, en las que los compuestos ricos en energía proporcionan alimento para el desarrollo de los embriones de plantas. La idea detrás de los estudios de Xu era encontrar una manera de "reprogramar" las plantas para almacenar aceite en sus más abundantes formas de biomasa.
El primer paso fue identificar los genes responsables de la producción de aceite en los tejidos vegetativos de las plantas . Aunque el aceite no se almacena en estos tejidos, casi todas las células vegetales tienen la capacidad para hacer aceite. Pero hasta estos estudios, la vía para la biosíntesis de aceite en las hojas era desconocido.

"Mucha gente asume que es similar a lo que ocurre en las semillas, pero tratamos de mirar también a los diferentes genes y enzimas", dijo Xu.

Desentrañando los genes.

Los científicos utilizaron una serie de trucos genéticos para probar los efectos de la sobreexpresión de genes o inhabilitación que permiten a las células fabricar ciertas enzimas que intervienen en la producción de aceite. El bombeo de los factores que normalmente aumentan la producción de aceite en las semillas no tuvo efecto sobre la producción de aceite en las hojas, y uno de éstos, cuando se sobreexpresa en las hojas, causó el crecimiento y problemas de desarrollo en las plantas. La alteración de la expresión de una enzima diferente productora de aceite, sin embargo, tuvo efectos dramáticos en la producción de aceite en las hojas.

"Si eliminas (deshabilitar) el gen de una enzima conocida como PDAT, que no afecta a la síntesis de aceite en las semillas o no causa ningún problema para las plantas, pero disminuye drásticamente la producción de aceite y la acumulación en las hojas", dijo Xu. En contraste, que la sobre expresión el gen de PDAT -que es, obtener células para fabricar más de esta enzima- de como resultado un aumento de 60 veces en la producción de aceite de las hojas.

Una observación importante es que el exceso de aceite no se mezcla con los lípidos de la membrana celular, pero se encontró gotitas de aceite dentro de las células de las hojas. Estas gotitas eran algo similares a las encontradas en las semillas, sólo mucho, mucho más grandes. "Fue como si muchas pequeñas gotas de aceite como las que se encuentran en las semillas que se han fusionado para formar enormes glóbulos", dijo Xu.

Las gotas más grandes pueden parecer mejor, pero no lo son, explicó Xu. El aceite en estas gotas de gran tamaño se descompone fácilmente por otras enzimas en las células. En las semillas, dijo, las gotas de aceite se recubren con una proteína llamada oleosina, lo que evita que las gotas se fusionen, manteniéndolas más pequeñas al tiempo que protege el aceite dentro. ¿Qué pasaría en las hojas, los científicos se preguntaron, si activa el gen de oleosina junto con PDAT?

El resultado: La sobre expresión de los dos genes juntos resultó en un aumento de 130 veces en la producción de aceite de las hojas en comparación con las plantas de control. Esta vez, el aceite se acumula en grandes racimos de diminutas gotas de aceite de oleosina-revestidas.

Identificar el mecanismo.

A continuación los científicos utilizaron carbono radiomarcado (C-14) para descifrar el mecanismo bioquímico por el cual PDAT aumenta la producción de aceite. Ellos rastrearon la absorción de C-14 marcado con acetato en los ácidos grasos, los componentes básicos de las grasas y aceites de membrana. Estos estudios mostraron que PDAT aumentó drásticamente la velocidad a la que se hicieron estos ácidos grasos.

A continuación, los científicos decidieron probar los efectos de la sobre expresión de los recién identificados genes del aceite que se incremento (PDAT y oleosina) en una variante de plantas de prueba que ya contaban con una elevada tasa de síntesis de ácidos grasos. En este caso, el impulso genético resultó en una mayor producción de aceite y la acumulación, 170 veces en comparación con las plantas de control, el punto donde el aceite representó casi el 10 por ciento del peso seco de la hoja.

"Eso es potencialmente igual a casi el doble del rendimiento de aceite, en peso, que se puede obtener de las semillas de canola, que en este momento es uno de los cultivos más altos en producción de aceite usados para la alimentación y la producción de biodiesel", dijo Xu. La quema de biomasa vegetal con tal densidad de energía para generar electricidad liberaría 30 a 40 por ciento más de energía, y el valor nutricional de los alimentos hechos de esta biomasa, la densidad energética también sería mucho mayor.

"Estos estudios se llevaron a cabo en plantas de laboratorio, por lo que aún se tiene que ver si esta estrategia podría funcionar en bioenergía o en cultivos para alimentos ", dijo Xu. "Y hay desafíos en la búsqueda de maneras de extraer el aceite de las hojas por lo que se puede convertir en biocombustible. Pero nuestra investigación ofrece una vía muy prometedora para mejorar el uso de las plantas como fuente de alimento y de materias primas para la producción de energía renovable", dijo.

Xu ahora está colaborando con el bioquímico de Brookhaven John Shanklin para explorar el potencial efecto de la sobre expresión de estos genes clave en la producción de aceite en los cultivos dedicados a la producción de biomasa, como la caña de azúcar.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE (BES). Las imágenes que muestran el almacenamiento del aceite en las gotitas se produjeron utilizando microscopios alojados en el Centro de Brookhaven para los Nanomateriales Funcionales (CFN), también con el apoyo de BES.

Fuente: Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Scientists Identify Key Genes for Increasing Oil Content in Plant Leaves