Wetenschap
Nieuwe hulpbron legt de innerlijke werking van sorghumplantencellen bloot voor het ontwerpen van betere grondstoffen voor bio-energie
Bio-energiesorgho is een belangrijke hulpbron voor de productie van biobrandstoffen en bioproducten en een cruciaal onderdeel van een duurzame landbouwtoekomst. Onderzoekers hebben er hard aan gewerkt om deze grote, droogtetolerante plant nog productiever en veerkrachtiger te maken tegen barre omgevingsomstandigheden. Maar deze inspanningen worden belemmerd door een gebrek aan kennis over de innerlijke werking van plantencellen, waardoor wetenschappers de juiste genetische instructies niet kunnen geven om de belangrijkste eigenschappen ervan, waaronder de olieproductie, te wijzigen.
Een team onder leiding van onderzoekers van het Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) – een Department of Energy (DOE) Bioenergy Research Center (BRC) – heeft een waardevolle nieuwe hulpbron gecreëerd die een dieper inzicht biedt in dit waardevolle bio-energiegewas en de mogelijkheid om in de toekomst een veerkrachtiger sorghumplant te ontwerpen.
Het werk is een samenwerking tussen CABBI en het Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), een collega-BRC; het HudsonAlpha Instituut voor Biotechnologie; en het Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), een DOE-gebruikersfaciliteit bij het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
De onderzoekers identificeerden genexpressiepatronen in de belangrijkste celtypen waaruit het weefsel van sorghumstengels bestaat – die 80% van de totale biomassa van de plant uitmaken – evenals potentiële celtype-specifieke promoters en onderliggende regulerende gennetwerken.
Hun doel was om een beeld te ontwikkelen van alle genexpressiepatronen op het niveau van één celtype, wat cruciaal is voor de modificatie van deze plant door middel van genetische manipulatie – een proces dat wetenschappers gebruiken om één of enkele doelgenen te modificeren om planteigenschappen te veranderen. Hun werk werd gepubliceerd in The Plant Journal .
"Deze studie stelt ons in staat de fysiologische en moleculaire kenmerken van sorghumstammen op celtypeniveau te ontcijferen, maar het helpt ook andere wetenschappers met uiteenlopende interesses bij het lokaliseren van kandidaatgenen bij het ontwikkelen van een grotere, veerkrachtigere sorghum", zegt hoofdauteur Jie Fu, een Ph. .D. kandidaat bij CABBI Co-PI Amy Marshall-Colon, hoogleraar plantenbiologie aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign.
De onderzoekers pasten een reeds bestaande techniek aan, genaamd laser capture microdissection (LCM), voor sorghumstamweefsel met hardnekkigere celwanden, waarbij ze een ultraviolette (UV) laser als mes gebruikten om verschillende celtypen te isoleren. Gekoppeld aan een high-throughput techniek genaamd RNA-sequencing, die expressiepatronen van alle genen in één keer kan testen, waren ze in staat om een uitgebreide atlas van genexpressiepatronen in de vroege vegetatieve groeifase te realiseren, waardoor celtype-specifieke expressie werd blootgelegd. , trajecten en onderliggende regulerende netwerken.
Deze high-throughput genexpressiedatabase kan dienen als een basisinstrument waarmee onderzoekers met uiteenlopende interesses in de BRC's de moleculaire en fysiologische eigenschappen van sorghumstam kunnen onderzoeken op een ongekend celtypeniveau.
De expressiepatronen die in dit onderzoek zijn ontdekt, bieden sorghumonderzoekers de kans celtype-specifieke promoters te ontwerpen die gerichte genexpressie op de gewenste locatie mogelijk maken, waarbij interferentie van andere celtypen tot een minimum wordt beperkt.
Het werk ondersteunt CABBI's 'planten als fabrieken'-benadering en het primaire doel van het onderzoek naar de productie van grondstoffen:het leveren van veerkrachtige, zeer productieve grassen die grote hoeveelheden lipiden produceren en andere BRC's ten goede komen die sorghum of soortgelijke grassen gebruiken.
Op de lange termijn zal succesvolle celtype-isolatie met behulp van laser-capture-microdissectie andere soorten 'omics'-gegevensverzameling uit sorghumstengels mogelijk maken en bijdragen aan een waardevolle, uitgebreide multi-omics-database voor deze C4-modelsoort.
Als schoner alternatief voor op aardolie gebaseerde producten kunnen biobrandstoffen en biochemicaliën gemaakt van sorghum en andere bio-energiegewassen de klimaatverandering helpen verzachten en de voedselzekerheid garanderen door niet te concurreren met basisvoedselgewassen om land en water.
De studie zal de inspanningen versnellen om een betere grondstof voor sorghum voor bio-energie te ontwerpen, waardoor niet alleen meer kennis van sorghumstamweefsel bij het celtype wordt verkregen, maar ook verschillende potentiële celtype-specifieke promoters voor genetische manipulatie.
Een knelpunt bij de productie van sorghumlipiden is bijvoorbeeld dat olie zich niet ophoopt in het meest voorkomende celtype (merg) en dat grote hoeveelheden lipiden zich ophopen in een vroeg groeistadium, wat de plantengroei schaadt en resulteert in een lage biomassa.
Het toepassen van celtype-specifieke promoters stroomopwaarts van kritische genen die zijn geïdentificeerd in het lipidenproductieproces van de plant kan de accumulatie van olie in gewenste celtypen sturen. En met het voortdurende onderzoek van het laboratorium naar temporele regulatiepatronen van genen zou dat uiteindelijk ook kunnen leiden tot accumulatie van lipiden in een gunstiger groeistadium.
De studie is het eerste hoge-resolutie inzicht in genexpressie in volwassen internodiën – de delen van de stengel tussen knooppunten waar bladeren groeien, zei CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan van het HudsonAlpha Institute. "Het legt de basis voor het ontwikkelen van specifieke celtypen om nieuwe bioproducten te produceren", zei ze.