Ботаніки виростили опалові квіти

Скам’янілі стовбури араукарій, виконані опалом і халцедоном, — це символ національного парку Петрифайд-Форест (Petrified Forest) в штаті Арізона, США. Фото з сайту incolors.club

Ботаніки з Німеччини змогли отримати повністю окремі квіти. Для цього їм знадобилося модифікувати ряд генів, що відповідають за обіг кремнію в рослинних тканинах, і змусити їх працювати в новому для себе оточенні. В результаті окремение починалося разом з розвитком квітки і тривало протягом тижня. За цей час деякі квітки повністю заступилися аморфним кремнеземом — опалом. Вчені вважають, що створення природних мінеральних реплік рослин може бути досить перспективно для декоративних цілей.

Ботаніки з Білефельдського університету (Німеччина) досліджували систему ферментів, що регулює метаболізм кремнію в тканинах рослин. Вони працювали з модельним об’єктом A. thaliana, геном якого добре відомий. І це, безумовно, сприяло створенню незвичайного біомінерального конструкту, який вони отримали за три роки експериментів.

Надходження кремнію через кореневу систему і його відкладення в квітках, листях і стеблі у A. thaliana (A) і форма слабо окристалізованого опала з пелюсток (B). Ріс. з обговорюваної статті в Frontiers in Plant Science, зі змінами

Відомо, що кремній необхідний клітинам рослин для нормального зростання. Деякі рослини, наприклад папороті і багато однодольних, накопичують кремній в клітинах, його кількість в рослинних тканинах досягає 1-10%. У вищих рослин кремній регулює зростання і нівелює стресові дії (температурні, хімічні) на клітини.

Відкладання кремнію (блакитний колір) у тичинках A. thaliana. Стрілка показує початок експресії транспортерів LSi6

Рослини отримують кремній з ґрунту, де завжди присутні різні форми розчинених кремнієвих кислот. Відомо, що цей процес регулюється групою ферментів (LSi1-6): їх робота визначає баланс вступників і вихідних варіантів кремнієвих кислот. У довгоживучих рослин, наприклад хвойних дерев, процес виведення кремнію з тканин може сповільнюватися; в результаті рослина поступово заповнюється аморфним кремнієм, перетворюється на вічний пам’ятник самому собі, виконаний варіантами агата.

Найбільш відомий приклад цього феномена — стовбури скам’янілого лісу Петрифайд-Форест (Petrified Forest) в Арізоні, заміщеного слабо кристалізованим кремнеземом — кварцем, опалом, халцедоном. Але і в інших рослинах можуть за життя формуватися кремне-мінеральні структури. Так, гідроокиси кремнезему входять до складу соломи злаків, твердих вузлуватостей у хвощах і особливо у вузлах бамбука. У міждозволах бамбука, що росте в Індії, іноді утворюються округлі утворення опалу (гідрофана), відомі під назвою табашир, його іноді використовують ювеліри.

Робота німецьких ботаніків була присвячена дослідженню балансу кремнію в клітинах і його транспорту в клітинах. Вони впровадили в геном додаткові копії генів LSi1-6, які відповідають за зв’язування і транспорт кремнію всередину клітини ззовні і між клітинами. Крім того, вони вбудували в ділянку геному, що регулює початок цвітіння, комплекс транспортера кремнію LSi6 і його транскрипційного фактора. Цей транскрипційний фактор, на відміну від свого природного аналога, реагував на освітлення. У результаті з початком цвітіння в рослину під час світлового дня з високою інтенсивністю надходив кремній. Оскільки його виведення було абсолютно нікчемним, то він залишався в самій рослині. Вченим вдалося домогтися того, щоб у зацвітаючих рослин у більшості тканин квітки і почасти в листях і стеблях активно відкладався аморфний кремній.

Через виключно високу швидкість метаболізму під час формування квіток весь процес заміщення рослинних клітин кремнієм займав від двох днів до 1 тижня. За тиждень пелюстки, тичинки і пестики практично повністю заміщалися варіантами опалу.

Один з опалових екземплярів кольорів A. thaliana, вирощених в лабораторії. Фото з сайту ebay.co.uk

Поки не вдалося до кінця відрегулювати процес окремення, оскільки через нерівномірну експресію транспортерів кремнію в різних тканинах процес зупиняється. Однак кілька повністю опалових квіток все ж вдалося виростити. Вчені зробили для себе з двох примірників цих квіток пам’ятні прикраси. Все ж це перші ювелірні вироби, отримані за допомогою біоінженерії.

Зрозуміло, що модифікація мінерального метаболізму у рослин — це прямий шлях до створення мінеральних реплік рослин. Кам’яні квіти вже зараз можливо створити в біохімічних лабораторіях; перспективний пошук шляху отримання залізо-магнієвих квітів, а також цинкових, хромових, молібденових. Для всіх цих елементів у рослин є системи внутрішньоклітинного транспорту. Знаменита Господиня мідної гори буде змушена поступитися своїм місцем сучасним генетикам.

Джерело: Muhammad Ansar Farooq and Karl-Josef Dietz. Silicon as Versatile Player in Plant and Human Biology: Overlooked and Poorly Understood // Frontiers in Plant Science. 2016. V. 2. P. 172–178.

Олена Наймарк