Детерминанты качества льняного волокна: чем больше пектина – тем лучше льняное волокно?
a, b, b, a, a, b
a Институт генетики и цитологии НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь
b Казанский институт биохимии и биофизики, Федеральный исследовательский центр «Казанский научный цента РАН», г. Казань, Россия
Ключевые слова: волокно, третичная клеточная стенка, пектиновые вещества, экспрессия генов.
Введение. Преобладающим полимером третичной клеточной стенки флоэмных волокон льна является целлюлоза (около 80%), а основным нецеллюлозным полисахаридом (порядка 7%) является пектин рамногалактуронан I (RG-I). Поскольку состав и структура клеточной стенки напрямую связаны с качеством льняного волокна, в данной работе мы оценили уровень экспрессии генов, связанных с биосинтезом целлюлозы и метаболизмом RG-I во флоэмных волокнах, выделенных из образцов экспериментальной коллекции льна, включающую образцы льна-долгунца (сорта Грант, Ласка, Могилевский, Дракар, Арамис, Эден), льна масличного (Орфей, Лирина), а также дикие виды льна (Linum biene, L. angustifolium). Количественную оценку экспрессии генов проводили в двух фазах развития – «быстрый рост» и «цветение».
Основные результаты и их обсуждение. Гены целлюлозосинтаз, ассоциированные с первичной клеточной стенкой (CesA1 и CesA3B), экспрессировались в волокнах всех изученных образцов льна на стадии быстрого роста примерно на одном уровне. Их экспрессия незначительно повышалась на стадии цветения у сортов льна-долгунца, а также у дикого вида L. biene. Для CesA-генов, ассоциированных с вторичной клеточной стенкой (CesA4 и CesA8A), отмечали более высокий (в 2,4-4,9 раза) уровень экспрессии в сортах льна-долгунца по сравнению с масличными сортами. Ген Ctl2 (предположительно кодирующий кофактор целлюлозосинтазного комплекса) также экспрессировался выше в волокнах льна-долгунца и диких видов по сравнению с волокнами масличных сортов, но его экспрессия снижалась на стадии цветения.
Среди генов, связанных с метаболизмом RG-I в работе оценивали экспрессию генов GT92, GT47, BGal и Rgl. Продукт гена GT92 предположительно участвует в синтезе боковых галактановых цепей RG-I, в то время как GT47 – в синтезе его остова. Рамногалактуронанлиаза (RGL) предположительно участвует в модификации RG-I, а для фермента в-галактозидазы (продукт гена BGal) была показана роль в обеспечении механической прочности волокон, за счет расщепления боковых галактановых цепей RG-I и образования высококристалличной целлюлозы. Во флоэмных волокнах сортов льна-долгунца и диких видов льна экспрессия генов GT92, GT47 была выражена сильнее (в 5,1-10,7 раз) по сравнению с масличными сортами и существенно не менялась при сравнении двух фаз развития. Ген BGal в образцах волокон льна-долгунца, собранных на стадии быстрого роста, экспрессировался в 4,6 раза сильнее, чем в волокнах сортов льна масличного. У диких видов льна уровень экспрессии BGal был сопоставим со льном-долгунцом. На стадии цветения отмечали падение экспрессии BGal во всех образцах. Ген Rgl в динамике экспрессии продемонстрировал схожие с геном BGal тенденции, однако на стадии цветения уровень экспрессии Rgl значительно не снижался.
На основании данных экспрессии можно заключить о более интенсивном метаболизме RG-I в волокнах льна-долгунца (наряду с более интенсивным биосинтезом целлюлозы) по сравнению с масличными сортами. Дикие виды при этом продемонстрировали большее сходство с группой льнов-долгунцов. Данное предположение подтверждено биохимическим анализом полимеров волокон льна различных групп. Показано, что выход высокомолекулярного RG-I волокон льна-долгунца в среднем в 2,8 раза превышал выход этого полисахарида из волокон льна масличного и в 1,8 раз из волокон льна диких видов.
Выводы. Таким образом, во флоэмных волокнах растений льна-долгунца, селекция которых была направлена на увеличение выхода волокон и их качество (длина волокон, разрывная нагрузка, гибкость), содержится больше пектина по сравнению с масличными сортами. Генетические детерминанты данного признака важны для селекции данной культуры и могут использоваться как мишень для генно-инженерных манипуляций.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант №17-76-20049)
