In populieren blijkt een eiwit een bizarre dubbelfunctie te hebben: het maakt bouwstenen voor aminozuren maar regelt tevens de aanmaak van lignine. Het zou een nieuwe manier kunnen opleveren om lignine-arme populieren te creëren, blijkt uit een publicatie in The Plant Cell.

Zulke lignine-arme bomen zijn een oud idee waar met name in Vlaanderen al zeker tien jaar onderzoek naar wordt gedaan. Populieren groeien snel en leveren grote hoeveelheden cellulose op die je kunt vergisten tot bio-ethanol. Maar de ligninefractie, die het hout zijn stevigheid geeft, zit de winning van die cellulose in de weg. Wout Boerjan en collega’s van de UGent hebben die ligninefractie al weten te verkleinen door een paar ándere enzymen te blokkeren, maar er is nog ruimte genoeg voor alternatieven - te meer daar op die Vlaamse enzymen octrooi is aangevraagd.

Het nu door Wellington Muchero, Meng Xie en collega’s van Oak Ridge National Laboratory gepresenteerde alternatief heet 5-enolpyruvylshikimaat 3-fosfaatsynthase, afgekort PtrEPSP. Ptr staat daarbij voor Populus trichocarpa, de Latijnse naam voor de populier. De naam verraadt al dat het deel uitmaakt van de shikimaatsyntheseroute, die uiteindelijk de aromatische aminozuren fenylalanine, tyrosine en tryptofaan oplevert.

Fenylalanine is op zijn beurt uitgangspunt voor de fenylpropanoïderoute, die uiteindelijk lignine oplevert. Daar zijn heel andere enzymen bij betrokken. Dat de lignineproductie afneemt als je PtrEPSP blokkeert is niet onlogisch, maar alléén omdat je zo een tekort aan fenylalanine creëert.

Overigens neemt de lignineproductie dan nog iets drastischer af omdat de boom zo’n ingreep niet overleeft, wegens gebrek aan aminozuren als bouwstenen voor zijn eiwitten. Niet voor niets is EPSP het doelwit van het roemruchte herbicide glyfosaat.

Maar met association mapping-technieken hebben ze nu in Oak Ridge een tweede verband kunnen aantonen. Het komt er op neer dat overproductie van PtrEPSP ook meer lignine oplevert, en bovendien afwijkende expressie van enkele ándere genen die met lignineproductie hebben te maken.

Nader onderzoek leerde dat PtrEPSP zich in zulke cellen ophoopt in de kern, waar het voor de shikimineroute niets heeft te zoeken. Het remt er een gen genaamd PtrhAT, en dát zwengelt de hele fenylpropanoïderoute aan.

Vervolgens bleek dat populieren twee soorten PtrEPSP aanmaken. De genetische codes lijken sprekend op elkaar en de resulterende eiwitten functioneren allebei als 5-enolpyruvylshikimaat 3-fosfaatsynthase. Maar één van de twee codes is een stuk langer en aan het N-uiteinde van dat eiwit, aangeduid als PtrEPSP-TF, hangt een extra stuk van 128 aminozuren. En dat uiteinde heeft de speciifieke vorm (een 'HTH-motief') die zorgt dat het enzym de celkern wordt binnengelaten en zich daar aan het DNA kan binden teneinde de expressie van PtrhAT te remmen.

Achteraf blijkt PtrEPSP-TF vooral tot expressie te komen op plekken waar de boom extra lignine nodig heeft. De korte variant, PtrEPSP-SY, zie je juist ontstaan op plekken waar aminozuren worden geproduceerd, dus in de buurt van chloroplasten die voor de benodigde input zorgen.

Als enolpyruvylshikimaat 3-fosfaatsynthase presteert PtrEPSP-TF een stuk minder dan PtrEPSP-SY, en het vermoeden rijst dat die functie een overblijfsel uit het verleden is. Ooit is het complete genoom van populieren per ongeluk verdubbeld, en kennelijk heeft de evolutie daarna één van beide sets EPSP-genen hergebruikt voor een geheel nieuwe taak.

bron: ORNL