Oljeväxter som producenter av plastbaser
Johan Edqvist
Inst för växtbiologi, SLU
Box 7080, 750 07 Uppsala
tel 018-6 7 32 42
e-post [email protected]
Ovanliga fettsyror med tekniska tillämpningar
Oljeväxter med höga halter av ovanliga fettsyror i fröoljan kan inom en snar framtid bli nya värdefulla
grödor för jordbruket i Sverige. Alltså transgena växter som kan producera fettsyror med exempelvis
trippelbindningar i kolkedjan, eller med funktionella grupper som hydroxyl- och epoxidgrupper (Figur 1).
Gemensamt för dessa fettsyror är att de har intressanta industriella tillämpningar, exempelvis i färger, lacker
och plaster. De här fettsyrorna förekommer naturligt i fröerna hos en del växter. Exempelvis så innehåller
medelhavsväxten Euphorbia lagascae rikliga mängder av den epoxiderade fettsyran vernolsyra (Muuse et
al., 1992). Epoxyfettsyror som framställs genom epoxidering av linolja och sojaolja används redan i färger
och ytbehandlingar. Ett komplement till sådana produkter kan komma från oljeväxter transformerade med
gener involverade i syntes av epoxyfettsyror.
OH
O
O
Figur 1. Översiktlig strutkurbeskrivning av epoxyfettsyran vernolsyra.
Det mest rationella sättet att skapa nya svenska grödor för att utvinna t.ex. epoxiderade fettsyror är att
introducera nya gener i växter som redan odlas i Sverige, som lin och raps. En gen som är nödvändig för
växternas syntes av epoxyfettsyror har redan isolerats av Sten Stymne och hans medarbetare (Lee et al.
1998). Denna gen har transformerats in i modellväxten Arabidopsis thaliana och förhöjda halter av
epoxyfettsyror har uppmätts i fröerna från de transgena växterna. Preliminära resultat tyder dock på att höjda
halter av epoxyfettsyror kan försämra de transgena växternas förmåga att gro (Lee et al., 1998). Den
försämrade livskraften kan bero på att den transgena växten saknar enzymer för att effektivt kunna utnyttja
den epoxiderade fettsyran som energi- och kolkälla vid groningen. Genomatt även tillföra gener inblandade
i nedbrytningen av vernolsyra kan vi förhoppningsvis få fram livskraftigare transgena växter som producerar
höga halter av epoxyfettsyran.
Sekvensering av gener uttryckta under frögroningen
Mitt intresse är att identifiera gener som är viktiga för nedbrytningen av fettsyror i Euphorbia lagascae. I
växter så lagras fett i speciella oljekroppar i form av triacylglycerol där tre fettsyror är bundna till en
glycerolmolekyl. När fröet gror spjälkas fettsyrorna från glycerolenheten och transporteras till cellens
peroxisomer där fettsyrornas kolkedjor bryts ner till mindre enheter i en serie reaktioner som kallas ßoxidation. Epoxidgruppen i vernolsyra utgör ett steriskt hinder för de enzymer som normalt är inblandade i
ß-oxidationen och det är troligt att ett antal unika enzymaktiviteter måste finnas i Euphorbia lagascae för att
vernolsyran ska kunna utnyttjas. För att hitta gener med nyckelfunktoner vid groningen har jag
framställt ett E. lagascae cDNA bibliotek av RNA isolerat från groende frön. Genbiblioteket innehåller alltså
information om vilka gener som utnyttjas i det groende fröet. Drygt 500 kloner från genbiblioteket har
undersökts med DNA sekvensering. DNA sekvenserna har jämförts med sekvenser i databaser och på så vis
har över ett hundra gener identifierats. Flera av generna har en känd funktion i fettsyra nedbrytning, medan
funktionen hos många andra gener kan vara relaterad till fettsyrornas metabolism (Tabell 1). Dessutom har
jag hittat ett flertal gener som saknar motstycke i databaserna. Många av dessa okända gener kan vara
inbladade i lipidmetabolismen.
137
Tabell 1. Ett urval av de gener med trolig funktion inom fettmetabolism som identifierats genom sekvensering av ett E. lagascae
cDNA bibliotek.
Gen
Uttrycksnivå
non-specific lipid transfer protein
thiolase
13-lipoxygenase
oleosin
phospholipase D
b-ketoacyl-CoA synthetase
AMP binding protein
epoxid hydrolas
male sterility 2-like protein
+++
++
+
+
+
+
+
+
+
Kloning av en epoxid hydrolas gen från Euphorbia lagascae
En av de gener jag valt att studera närmare kodar för enzymet epoxid hydrolas (EH). Detta enzym
katalyserar en reaktion där en epoxidgrupp, genom tillsats av vatten, omvandlas till en diol med
närliggande hydroxylgrupper (Figur 2).
R1
R2
H20
O
OH
R3
C
C
R4
R3
R1
Epoxide
hydrolase
C
R2
C
R4
OH
Figur 2. Figuren visar den enzymatiska reaktion som katalyseras av epoxid hydrolas.
Eftersom epoxidgruppen måste öppnas vid något tillfälle när vernolsyran ska brytas ner så bör epoxid
hydrolas ha en nyckelroll under frögroningen. Epoxid hydrolas är ett viktigt enzym som förmodligen finns i
de flesta levande organismer. Och epoxid hydrolas gener har isolerats från växter, bakterier och djur. I
människor har epoxid hydrolas till uppgift att ta hand om olika epoxider som kan bildas vid nedbrytning av
främmande ämnen. Epoxider är ofta reaktiva och kan skada cellen, så epoxid hydrolas fungerar som en
skyddsmolekyl. Ett flertal växtgener för epoxid hydrolas har redan identifierats. Trots detta så är dess
fysiologiska funktion i växter ännu okänd. Ofullständiga studier från Arabidopsis, tobak och potatis tyder
på att EH induceras när växten utsätts för olika typer av stress (Kiyosue et al. 1994, Guo et al. 1998). Och
det har spekulerats att EH är inblandat i syntes av jasmonat, en fettsyra som fungerar som en slags
signalmolekyl och styr växtens responser vid biologiska angrepp och vid olika utvecklingsteg, som när
pollen ska frisättas från ståndarknapparna.
För att bättre utröna vilken funktion epoxid hydrolas har i E. lagascae har jag undersökt genens reglering.
Genuttrycket är starkast i groende frön och uttrycket är främst lokaliserat till vissa regioner av hjärtbladen.
Resultaten pekar alltså på att det klonade enzymet är mest verksamt under groningsfasen. Att enzymets
funktion är att bearbeta vernolsyra så att det lättare kan tas om hand av enzymerna i ß-oxidationen är ännu
inte klarlagt. Just nu arbetar jag med att utveckla ett effektivt bakteriesystem för att producera enzymet för
noggrann karakterisering. Med de här fortsatta studierna av enzymets aktivitet och specificitet kan jag få
fram information om vilken eller vilka reaktioner som enzymet katalyserar in vivo i växten. Sammantaget
tror jag att undersökningar kommer att ge den information som krävs för att bestämma enzymets funktion.
138
Vidare kommer EH genen att transformeras till transgena Arabidopsis växter som producerar ökade halter av
epoxiderade fettsyror. Genom att styra uttrycket av EH till groende frön, kan de transgena fröernas
groningsförmåga öka. Syftet med transformationen är alltså att EH från Euphorbia ska underlätta för de
transgena växterna att utnyttja de epoxiderade fettsyrorna vid groningen. Därigenom kommer högre halter av
epoxiderade fettsyror att tolereras av de transgena växterna. För att få en än mer generell bild av vilken
funktion EH har i växter kommer jag att studera EH generna i modellväxten A. thaliana. En stor del av dess
genom är redan sekvenserat och med hjälp av datasökningar har jag identifierat flera gener som visar
signifikant likhet med EH. För att bättre förstå dessa geners roll i växten kommer jag att utreda hur uttrycket
från dessa gener regleras, och vilken enzymatisk aktivitet som de kodar för.
Sammanfattning
Målsättningen med mina studier är att identifiera gener som kodar för enzymer inblandade i metabolismen av
vernolsyra i Euphorbia lagascae. Ett flertal gener har redan isolerats. En detaljerad karakterisering av en
gen kodande för epoxid hydrolas hydrolas har inletts. Regleringstudier visar att genen uttrycks under
groningen, vilket tyder på att enzymet är inblandat i nedbrytning av vernolsyra. Detaljerade studier av andra
isolerade gener kommer snart att inledas. Det långsiktig målet är att utnyttja de klonade generna för att
förbättra produktion av vernolsyra och andra ovanliga fettsyror i odlingsbara oljeväxter.
Referenser
Guo, A., Durner, J. & Klessig, D.F. 1998 Characterization of a tobacco epoxide hydrolase gene induced
during the resistance reponse to TMV. Plant J. 15, 647-656.
Kiyosue, T., Beethan, J.K., Pinot, F., Hammock, B.D., Yamaguchi-Shinozaki, K., Shinozaki, K. 1994 Characterization of an Arabidopsis cDNA for a soluble epoxide hydrolase gene that is inducile by auxin and water
stress. Plant J., 6 259-269.
Lee, M., Lenman, M, Banas, A., Bafor, M., Singh, S., Schweizer, M., Nilsson, R., Liljenberg, C., Dahlqvist,
A., Gummeson, P.-O., Sjödahl. S., Green, A., Stymne, S. 1998 Identification of non-heme diiron proteins
that catalyze triple bond and epoxy group formation. Science 280, 915-918.
Muuse, B.G., Cuperus, F.P. & Derksen, J.T.P. 1992 Compostion and physical properties of oils from new
oilseed crops. Industrial Crops and Products 1, 57-65.
139
