Wszystkie rośliny pośredniczą w swoich interakcjach środowiskowych za pomocą sygnałów chemicznych. Przykładem jest alkaloid gramina wytwarzany przez jęczmień, jedno z najczęściej uprawianych zbóż na świecie. Gramina zapewnia ochronę przed owadami roślinożernymi i pasącymi się zwierzętami oraz hamuje wzrost innych roślin. Pomimo długotrwałego zainteresowania gen kluczowy do tworzenia graminy pozostał nieuchwytny.

Naukowcy odkryli w jęczmieniu skupisko dwóch genów odpowiedzialnych za biosyntezę graminy. Pierwszy gen (HvNMT) odkryto już 18 lat temu. W swoim badaniu naukowcy z IPK i Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze zidentyfikowali drugi gen (syntaza AMI, HvAMIS) i odkryli, że oba geny znajdują się blisko siebie na tym samym chromosomie. Dzięki temu odkryciu szlak biosyntezy graminy został w pełni wyjaśniony. Wyniki publikuje się w czasopiśmie Nauka.

„Odkryliśmy, że AMIS jest enzymem oksydazą, który przeprowadza niezwykłą, tajemniczą oksydatywną rearanżację tryptofanu, co pozwala nam zrewidować poprzednią propozycję biosyntezy z lat 60. XX wieku” – mówi dr John D’Auria, szef grupy badawczej IPK Różnorodność metaboliczna.

Prof. dr Jakob Franke, kierownik grupy Biochemistry of Plant Specialized Metabolites na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze, dodaje: „Byliśmy bardzo zaskoczeni nieznanym dotychczas mechanizmem enzymatycznym, w wyniku którego powstaje gramina. Jednocześnie mamy teraz możliwość możliwość produkcji biologicznie aktywnych alkaloidów zrównoważonymi metodami biotechnologicznymi.”

Zespół badawczy mógł produkować graminę w drożdżach i roślinach modelowych (Nicotiana benthamiana, Arabidopsis).

„W przeciwieństwie do wielu innych ochronnych metabolitów roślin, produkcja graminy wymaga tylko dwóch genów. Dlatego wykorzystanie naszych odkryć w zastosowaniach praktycznych jest stosunkowo proste” – powiedział Ling Chuang z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze, jeden z pierwszych autorów.

„Co więcej, inżynieria genetyczna jęczmienia pozwoliła nam wyprodukować graminę w odmianie jęczmienia nie produkującej graminy i wyeliminować produkcję graminy w odmianie jęczmienia produkującej graminę poprzez edycję genomu” – wyjaśnia druga pierwsza autorka, Sara Leite Dias.

„Wyniki stanowią podstawę do wytwarzania graminy w organizmach nieposiadających rodzimej zdolności do jej syntezy do celów takich jak naturalny środek ochrony roślin lub eliminacja graminy z jęczmienia i innych traw w celu zmniejszenia toksyczności dla przeżuwaczy” – mówi dr John D’ Auria.

„Nasze odkrycia stanowią podstawę do ulepszenia jęczmienia w celu zwiększenia jego odporności na szkodniki, zmniejszenia jego toksyczności dla przeżuwaczy i przyczynienia się do zrównoważonego zwalczania chwastów”.