Om hun hypothese te onderzoeken voerden de wetenschappers een genetische analyse uit om andere plantensoorten te vinden waarvan het DNA genen bevatte die vergelijkbaar zijn met het moderne CB5D-gen, dat fungeert als instructies voor het assembleren van het CB5D-eiwit. Ze identificeerden 21 soorten, variërend van evolutionair oud tot evolutionair recent. De wetenschappers hebben deze genen vervolgens gesynthetiseerd en individueel tot expressie gebracht in een moderne plantensoort die genetisch is aangepast zodat het CB5D-gen ontbreekt.

"Zonder het CB5D-gen synthetiseert de plant slechts een kleine hoeveelheid S-lignine", zegt Xianhai Zhao, een postdoctoraal onderzoeker bij Brookhaven en hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Maar als deze functie zou worden hersteld met de expressie van een van de verwante genen, dan zouden we weten dat dat gen op dezelfde manier functioneert als het moderne CB5D-gen."

De wetenschappers ontdekten dat een gen van een groene algensoort die ruim 500 miljoen jaar geleden uitgroeide tot een vroege landplant, de synthese van S-lignine in de moderne plant herstelde. Dit gaf aan dat het gen functionaliteit van het CB5D-type vertoonde. De wetenschappers ontdekten ook dat de functie behouden bleef in verschillende vroege landplanten, zoals levermossen en mossen.

"Dit betekent dat de CB5D miljoenen jaren eerder is geëvolueerd dan we hadden verwacht", legt Liu uit. "Het was behoorlijk verrassend om te ontdekken dat een moderne elektronenacceptor als F5H samenwerkte met een oud eiwit om nieuwe biochemische machines te ontwikkelen die de geavanceerde ligninestructuur synthetiseren."

Wetenschappelijk teamwerk en volgende stappen

Het CB5D-gen en zijn oudere tegenhanger bevatten vergelijkbare DNA-sequenties en -functies. Maar de wetenschappers wilden er zeker van zijn dat het CB5D-eiwit van een oude soort, zoals levermos, tot expressie werd gebracht in dezelfde subcellulaire structuren als het moderne CB5D.

Daarom gebruikten ze confocale microscopie bij het Center for Functional Nanomaterials, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in het Brookhaven Lab, om te bevestigen dat dit het geval was.

Nadat ze oude genen hadden gevonden die coderen voor eiwitten die lijken op het moderne CB5D-eiwit in termen van S-ligninesynthese in moderne planten en cellulaire lokalisatie, wilde het team meer te weten komen over de oude functie van dit eiwit en hoe deze in de loop van de tijd veranderde of uitbreidde.

Uit hun analyse bleek dat het CB5D-achtige eiwit opdook in wateralgen vlak voordat ze overgingen naar een terrestrische omgeving. En omdat het in vroege landplanten werd bewaard, vervult dit eiwit waarschijnlijk een of meer essentiële functies.

"Oude planten zoals levermos bevatten geen S-lignine", zei Zhao. "Als het CB5D-type eiwit niet verantwoordelijk was voor de synthese van S-lignine, wat heeft het dan gedaan?"

Liu merkte op:"Dat is het mooie van onderzoek. Als je één vraag beantwoordt, kom je bij nog interessantere vragen terecht die wachten om ontdekt te worden."

Meer informatie: Xianhai Zhao et al., Cytochroom b5-diversiteit in groene lijnen ging vooraf aan de evolutie van de biosynthese van syringyllignine, The Plant Cell (2024). DOI:10.1093/plcell/koae120

Journaalinformatie: Plantencel

Geleverd door Brookhaven National Laboratory