Ботаники вырастили опаловые цветы

Окаменелые стволы араукарий, выполненные опалом и халцедоном, — это символ национального парка Петрифайд-Форест (Petrified Forest) в штате Аризона, США. Фото с сайта incolors.club

Ботаники из Германии смогли получить полностью окремненные цветы. Для этого им понадобилось модифицировать ряд генов, отвечающих за оборот кремния в растительных тканях, и заставить их работать в новом для себя окружении. В результате окремнение начиналось вместе с развитием цветка и продолжалось в течение недели. За это время некоторые цветки полностью заместились аморфным кремнеземом — опалом. Ученые полагают, что создание естественных минеральных реплик растений может быть весьма перспективно для декоративных целей.

Ботаники из Билефельдского университета (Германия) исследовали систему ферментов, регулирующую метаболизм кремния в тканях растений. Они работали с модельным объектом A. thaliana, геном которого хорошо известен. И это, безусловно, способствовало созданию необычного биоминерального конструкта, который они получили за три года экспериментов.

Поступление кремния через корневую систему и его отложение в цветках, листьях и стебле у A. thaliana (A) и форма слабо окристаллизованного опала из лепестков (B). Рис. из обсуждаемой статьи в Frontiers in Plant Science, с изменениями

Известно, что кремний необходим клеткам растений для нормального роста. Некоторые растения, например папоротники и многие однодольные, накапливают кремний в клетках, его количество в растительных тканях достигает 1–10%. У высших растений кремний регулирует рост и нивелирует стрессовые воздействия (температурные, химические) на клетки.

Отложение кремния (голубой цвет) в тычинках A. thaliana. Стрелка показывает начало экспрессии транспортеров LSi6

Растения получают кремний из почвы, где всегда присутствуют различные формы растворенных кремниевых кислот. Известно, что этот процесс регулируется группой ферментов (LSi1-6): их работа определяет баланс поступающих и исходящих вариантов кремниевых кислот. У долгоживущих растений, например хвойных деревьев, процесс выведения кремния из тканей может замедляться; в результате растение постепенно заполняется аморфным кремнием, превращается в вечный памятник самому себе, выполненный вариантами агата.

Наиболее известный пример этого феномена — стволы окаменелого леса Петрифайд-Форест (Petrified Forest) в Аризоне, замещенного слабо кристаллизованным кремнеземом — кварцем, опалом, халцедоном. Но и в других растениях могут при жизни формироваться кремне-минеральные структуры. Так, гидроокислы кремнезема входят в состав соломы злаков, твердых узловатостей в хвощах и особенно в узлах бамбука. В междоузлиях бамбука, произрастающего в Индии, иногда образуются округлые образования опала (гидрофана), известные под названием табашир, его иногда используют ювелиры.

Работа немецких ботаников была посвящена исследованию баланса кремния в клетках и его транспорта в клетках. Они внедрили в геном дополнительные копии генов LSi1-6, которые отвечают за связывание и транспорт кремния внутрь клетки извне и между клетками. Кроме того, они встроили в участок генома, регулирующий начало цветения, комплекс транспортера кремния LSi6 и его транскрипционного фактора. Этот транскрипционный фактор, в отличие от своего естественного аналога, реагировал на освещение. В результате с началом цветения в растение во время светового дня с высокой интенсивностью поступал кремний. Так как его выведение было совершенно ничтожным, то он оставался в самом растении. Ученым удалось добиться того, чтобы у зацветающих растений в большинстве тканей цветка и отчасти в листьях и стеблях активно отлагался аморфный кремний.

Из-за исключительно высокой скорости метаболизма во время формирования цветков весь процесс замещения растительных клеток кремнием занимал от двух дней до 1 недели. За неделю лепестки, тычинки и пестики практически полностью замещались вариантами опала.

Один из опаловых экземпляров цветов A. thaliana, выращенных в лаборатории. Фото с сайта ebay.co.uk

Пока не удалось до конца отрегулировать процесс окремнения, так как из-за неравномерной экспрессии транспортеров кремния в разных тканях процесс останавливается. Однако несколько полностью опаловых цветков всё же удалось вырастить. Ученые сделали для себя из двух экземпляров этих цветков памятные украшения. Всё же это первые ювелирные изделия, полученные с помощью биоинженерии.

Ясно, что модификация минерального метаболизма у растений — это прямой путь к созданию минеральных реплик растений. Каменные цветы уже сейчас возможно создать в биохимических лабораториях; перспективен поиск пути получения железо-магниевых цветов, а также цинковых, хромовых, молибденовых. Для всех этих элементов у растений имеются системы внутриклеточного транспорта. Знаменитая Хозяйка медной горы будет вынуждена уступить свое место современным генетикам.

Источник: 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.

Елена Наймарк