”LITTLE NINJA”-protein er et nyt værktøj i bioteknologernes værktøjskasse

Miljø og bæredygtighed 30. jan 2021 3 min Associate Professor Stephan Wenkel Skrevet af Kristian Sjøgren

Forskere har identificeret et lille protein, der kan udnyttes til at gøre afgrøder mere buskede og med flere sideskud. MikroProteinet har potentialet til at øge afgrøders produktion.

Hvis verden skal kunne brødfødes i fremtiden, skal vi have maksimalt ud af alle de fødevareressourcer, som findes på planeten. Det gælder især for afgrøder som hvede, havre, rug og alle de andre græsarter, der samlet set står for en meget stor del af verdens fødevareproduktion.

Nu har forskere fra Københavns Universitet identificeret et mikroProtein, der regulerer, hvor høje græsarter bliver, og hvor mange sideskud de producerer. MikroProteinet har dermed potentialet til også at regulere, hvor produktive græsarterne er.

Opdagelsen af mikroProteinet, der går under navnet ”LITTLE NINJA”, giver bioteknologer et ekstra værktøj i værktøjskassen, når de skal designe fremtidens afgrøder.

”Vi har identificeret et protein, som bestemmer vækstfænotypen i planter og også er med til at regulere planeternes hormonsignalering. LITTLE NINJA har udvidet vores forståelse af, hvad mikroProteiner kan gøre, og hvordan vi kan udnytte dem bioteknologisk,” fortæller lektor Stephan Wenkel fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab ved Københavns Universitet.

Forskningen er offentliggjort i PNAS.

Evolutionen har skabt mikroProteiner

For at forstå det nye forskningsresultat er man først nødt til at forstå, hvad mikroProteiner som LITTLE NINJA er.

MikroProteiner er små, korte proteiner, der evolutionært er udsprunget fra meget større proteiner.

I løbet af evolutionen er størrelsen af genomer steget ved processer som helgenom-duplikationer eller andre lokale amplifikationer. Dette har ført til stigninger i antallet af gener og oprindelsen af genfamilier, der koder for lignende proteiner. Imidlertid har evolution i nogle tilfælde også fået nogle gener til at blive betydeligt forkortet i processen, hvilket resulterer i ”genstubber”, der producerer meget små proteiner. Disse mikroProteiner kan påtage sig nye roller som regulatorer for de originale større proteiner.

Dette nye mikroProtein kan have forskellige funktioner i relation til det oprindelige store protein. Det kan eksempelvis være, at funktionen af det store protein er livsnødvendig for organismen og måske gøre, at proteinet binder sammen i par. I det tilfælde kan mikroProteinet binde til det store protein og fungere som en regulator af dets effekt.

”I nogle tilfælde kan mikroProteinerne eksempelvis fungere som bremser i en bil på de store proteiner, så effekten af proteinerne bliver holdt inden for de gavnlige niveauer,” forklarer Stephan Wenkel.

Fandt LITTLE NINJA i en modelplante for afgrøder

I det nye studie har forskerne arbejdet med Brachypodium, der er en modelorganisme for græsserne. Brachypodium benyttes til bioteknologisk forskning, der gør forskere klogere på genetikken i afgrøder, som landmanden har på markerne.

Forskerne havde i studiet et mål om at finde mikroProteiner i Brachypodium og at undersøge, om disse mikroProteiner kunne have interessante bioteknologiske applikationer i afgrødeplanter.

Dette blev gjort ved hjælp af computerkræfter, som kunne gennemsøge hele Brachypodiums genom i jagten på gensekvenser, der kunne identificeres som stubbede versioner af kendte proteiner.

Denne øvelse resulterede i identifikationen af LITTLE NINJA.

Forskernes videre undersøgelser identificerede desuden, at LITTLE NINJA fungerer som en regulator for jasmonsyre-hormonsignalvejen i græsser.

Mere LITTLE NINJA kunne gøre planter mere produktive

Med identifikationen af LITTLE NINJA kunne forskerne begynde af manipulere med genet i forskellige afgrødeplanter for at se, hvilken effekt det har på planternes vækst og funktion.

Forskerne gjorde blandt andet det, at de fik afgrødeplanterne byg og ris samt modelorganismen Arabidopsis til at producere mere LITTLE NINJA end normalt. Når planterne gjorde det, resulterede det i lavere og mere buskede planter med flere sideskud.

”Ud fra et afgrødevidenskabeligt synspunkt er det et eftertragtet træk. Når græsserne er lavere og mere buskede, gør det dem mere modstandsdygtige over for vind. Når de får flere sideskud, betyder det også, at de kan have flere blomster og dermed flere frugter. Når man øger niveauerne af LITTLE NINJA i græsserne, kan det muligvis ultimativt lede til græsser med højere produktivitet,” forklarer Stephan Wenkel.

Stephan Wenkel uddyber, at fordi LITTLE NINJA spiller ind i hormonsignaleringen i græsser, har mikroProteinet også en rolle i udviklingen af blandt andet blomster og rodnet.

MikroProteiner er et ekstra værktøj i bioteknologernes værktøjskasse

Rent bioteknologisk bringer det nye forskningsresultat også noget nyt til bordet.

I studiet kan forskerne vise, at de med CRISPR-teknologi kan klippe og klistre i genet for det oprindelige store protein ”NINJA” og omdanne det til LITTLE NINJA. De klippede bare et stykke af NINJA-genet.

Mange gener har flere kopier af den genetiske kode for et givent gen i arvemassen, og derfor er det muligt, at forskere kan omdanne koden for et stort protein til koden for et mikroProtein og derved give planter nye eller forstærkede biologiske funktioner.

”Det er det bioteknologiske perspektiv. Førhen har vi ikke haft en særlig god forståelse af, hvad mikroProteiner har af effekter i planter, og hvordan vi kan udnytte dem bioteknologisk. Det har vi en meget bedre forståelse af nu,” siger Stephan Wenkel.

Heterologous microProtein expression identifies LITTLE NINJA, a dominant regulator of jasmonic acid signaling” er udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). I 2018 modtog Stephan Wenkel støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Increasing folate levels in crop plants by microprotein engineering”.

In my research group, we are interested in how plants adjust their development to environmental signals. Currently we work on two main topics: Many...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020