In de fytotron, rijen witte industriële kasten verbergen het verwachte leven in een kas. Een kijkje door een vierkante kijkpoort, echter, onthult de groene energie die groeit in de heldere kamer. Deze specifieke populieren jonge boompjes overleven de ontberingen van langdurige droogtes en hittegolven misschien niet, maar ze helpen een team van onderzoekers om er een te maken die dat wel kan.

spanningen, zoals hoge temperaturen en een gebrek aan zoet water, kan leiden tot verminderde gewasgroei of zelfs volledig verlies. De toenemende frequentie van deze stressvolle periodes inspireert een race om meer tolerante planten te vinden. Maar traditionele veredelingsmethoden zijn traag, waarbij vallen en opstaan ​​over meerdere generaties heen nodig is. Nutsvoorzieningen, een samenwerkende groep onderzoekers herontwerpt populier, een bio-energiegewas, op basis van zijn specifieke genoom in slechts een paar jaar.

De groeiende menselijke bevolking stelt steeds meer eisen aan het gebruik van alle soorten land. Om de biobrandstofindustrie te laten concurreren met conventionele brandstofbronnen, moet ze landbronnen gebruiken, maar idealiter niet dezelfde hoogwaardige grond nodig hebben die wordt gebruikt om voedsel te verbouwen. Als biobrandstofgewassen zijn ontworpen om stressbestendiger te zijn, ze kunnen een hoge biomassaproductie handhaven op marginale gronden, waardoor de industrie concurrerend blijft.

Vorig jaar, het Department of Energy's Office of Science heeft $ 5,5 miljoen toegekend om de productie van populierenbiomassa te verbeteren aan het multi-institutionele team van de Universiteit van Californië, Davis, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium, en twee andere universiteiten:University of Tennessee (UT) en West Virginia University (WVU). De projecttitel is "SyPro Poplar:verbetering van de populierbiomassaproductie onder abiotische stressomstandigheden:een geïntegreerde omics, Bio-informatica, Synthetische biologie, en genetische manipulatiebenadering."

Voor het vijfjarige project het team "ontwikkelt enkele populieren door middel van een transgene benadering die tolerant zijn voor meerdere belastingen tegelijk, ", zegt co-hoofdonderzoeker Amir H. Ahkami. Ahkami is een moleculair plantenbioloog bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL.

Combinaties

Eerdere studies hebben zich alleen gericht op één abiotische stress:watertekort, verhoogde temperatuur of zoutgehalte van de bodem - tegelijk, legt Ahkami uit. In werkelijkheid, planten kunnen tegelijkertijd last hebben van een combinatie van stress. Dus, het vinden van een populierspecifieke oplossing onder deze omstandigheden is het doel van het project.

De truc is misschien het ontwikkelen van een reeks synthetische promoters - promoters die genexpressie regelen - die de juiste stresstolerante genen aanzetten. Maar om daar te komen, is een combinatie van geavanceerde benaderingen en nieuwe technologieën nodig.

"We brengen celbiologen samen, moleculair biologen, fysiologen en een nationaal laboratorium in een gezamenlijke inspanning, " zegt plantenbioloog Eduardo Blumwald, de hoofdonderzoeker en een vooraanstaande professor in celbiologie aan UC Davis. "Dit is een multidisciplinaire benadering, en ik denk dat dit het belangrijkste element is."

Ahkami voegt eraan toe, "En voor dit project hebben we een hele goede groep experts samengebracht."

Plantentransformatie vereist een DNA-sequentie die een promotor en een gen combineert. Beginnen met planten die onder stressomstandigheden zijn geplaatst, zal helpen bij het identificeren van de belangrijke stressgevoelige genen en eiwitten. Blumwald past gecontroleerde stresstests toe op populierenplanten in een onderzoekskas van UC Davis. De behandelingen omvatten het verminderen van de waterbeschikbaarheid, het verlagen van de waterkwaliteit en het uitschakelen van kaskoeling.

Op specifieke data tijdens de behandelingen, Blumwald neemt monsters van bladeren en wortels van de populierspecimens en verzendt deze naar PNNL voor cel- en weefselspecifieke omics-analyse. Transcriptomics is de studie van de complete set RNA-transcripten geproduceerd door het genoom van een organisme, terwijl proteomics de studie van zijn eiwitten is. De celtype-specifieke omics-benadering is uniek en zal informatief zijn.

Met behulp van deze multiomics-aanpak, Ahkami kan de sterk differentieel tot expressie gebrachte genen en eiwitten identificeren onder stressomstandigheden - die min of meer tot expressie worden gebracht in vergelijking met die onder normale omstandigheden. Vervolgens, met behulp van een genetische manipulatietool zoals Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats of CRISPR, hij kan de functie van een gen van belang verifiëren.

Hij kan dan op stress reagerende promotors identificeren op basis van de stress-geïnduceerde genen en eiwitten en, in samenwerking met experts van de UT, bioinformatica gebruiken om een ​​bepaald regulerend element te ontdekken, of een motief, die de engineering van een promotor begeleidt.

Ontwerp-bouw-test

Door hun eigen synthetische promotors te ontwikkelen, de onderzoekers zijn niet beperkt tot alleen die promotors die in de natuur worden gevonden. Ze kunnen genen ontwerpen die specifiek zijn voor de soort en het celtype, zodat ze alleen de juiste genen aanzetten als dat nodig is.

"We willen zo min mogelijk interfereren met de ontwikkeling van de boom, ", zegt Blumwald. "Als we een gen constant constitutief tot expressie willen brengen, lopen we het risico dat het gen de planten wat kleiner maakt, bijvoorbeeld."

Hij vergelijkt het met iemand die naar de supermarkt gaat. Als iemand onderweg naar zijn werk boodschappen gaat doen, dan moet hij of zij dat eten in de auto of in de bus en op het werk afhandelen - het is omslachtig, hij zegt. Door na het werk te winkelen, die persoon krijgt alleen voedsel als er voedsel nodig is. De stressbestendige eigenschappen mogen alleen tot uiting komen als ze dat willen.

Gebruikmakend van de kennis die is opgedaan met omics en bestaande promotorbibliotheken, de onderzoekers ontwerpen, bouwen en testen van een reeks potentiële synthetische promotors. Meer dan honderd promotors zullen worden gescreend met populierblad- en wortel-afgeleide protoplasten - cellen met verwijderde celwanden - met behulp van een robotsysteem in co-hoofdonderzoeker C. Neal Stewart, Jr.'s laboratorium aan de UT. Om te weten of een promotor werkt, gaan de onderzoekers op zoek naar een fluorescerend eiwit om op te lichten, legt Stewart uit, een professor in de plantenwetenschappen, die zich richt op plantengenetica.

"Het is een van de dingen waar je veel mislukkingen krijgt, maar alles wat je nodig hebt is een of twee hits, " zegt Stewart, "En dan is het een succes."

Het team zal de beste kunstmatige promotors in populierplanten installeren om het betreffende gen aan te sturen. Vervolgens, in de onderzoekskas gaan de onderzoekers de transgene planten evalueren.

Het project wordt afgesloten met een veldonderzoek, waarmee het zich onderscheidt van de meeste andere projecten. "Het is bijna altijd zo dat de prestatie onder veldomstandigheden anders is dan de prestatie in de kas, ", zegt co-hoofdonderzoeker Stephen DiFazio, een hoogleraar plantengenomics die de veldproeven bij WVU gaat begeleiden.

Het veld stelt transgene planten bloot aan andere spanningen, zoals wind, vorst, insecten, en ziekteverwekkers, niet gezien in de kasomgeving. De veldproeven zouden kunnen uitwijzen of het veranderen van de expressie van een inheems gen een ander systeem van de plant verstoort, legt DiFazio uit.

Vooruitgang tot nu toe

De veldstudie duurt nog een paar jaar, want het project nadert nu pas het einde van het eerste jaar. Het project is uitdagend, zegt Ahkami, maar hij is optimistisch.

"De gegevens die we tot nu toe hebben gegenereerd, vooral voor proteomics, zijn veelbelovend, " zegt hij. "De eiwitidentificaties die we in elk celtype hebben gevonden, leveren een proof of concept voor een techniek die breed zou kunnen worden gebruikt voor moleculaire fenotypering van populierblad- en wortelweefsels onder stress bij resolutie op celniveau."

Ahkami en de rest van het team van EMSL zouden niet in dit stadium zijn zonder de mogelijkheid om meerdere mogelijkheden te integreren die beschikbaar zijn in de gebruikersfaciliteit, waarvan sommige nog nooit eerder zijn gecombineerd. Onlangs, EMSL kondigde een reorganisatie en herschikking aan op nieuwe wetenschapsgebieden, en zijn doelstellingen op het gebied van biologische wetenschappen, onder andere brandpunten, het verbeteren van strategieën voor het ontwerpen van fabrieken voor de productie van biobrandstoffen, dat is het doel van het SyPro Poplar-project.

Bepaalde sleutelinstrumenten en expertise bij EMSL maken de nieuwe celtype-specifieke analyse van het project mogelijk. Van de blad- en wortelmonsters, de onderzoekers kunnen zich richten op specifieke celtypes voor het oogsten met behulp van laser capture microdissectie of LCM. Bijvoorbeeld, een blad heeft palissade en sponsachtige mesofylcellen en vaatweefsels, en een wortel heeft epidermis- en cortexcellen en stellaire weefsels. Door de hoge resolutie van de LCM-microscoop van EMSL kunnen de onderzoekers handmatig cellen van een bepaald type selecteren. Het systeem snijdt de gewenste cellen door en katapulteert ze vervolgens contactloos naar een opvanginrichting.

Door de cel of het weefsel per type te isoleren, "je verrijkt je signaal, het isoleren van een veel specifiekere populatie waarop u vervolgens uw downstream-toepassingen en vragen kunt doen, " zegt Will Chrisler, LCM-expert van PNNL. Het gebruik van een bulkblad- of wortelmonster kan het signaal gemakkelijk begraven.

Vóór proteomics-analyse door massaspectrometrie, het onderzoeksteam moet de celtypespecifieke monsters voorbereiden die door LCM zijn verzameld. De nieuw ontwikkelde technologie genaamd nanoPOTS (nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples) speelt hierbij een sleutelrol.

"Het knelpunt met proteomics was met monsterverwerking, " zegt analytisch chemicus Ryan Kelly, een van de nanoPOTS-ontwikkelaars, die een gezamenlijke afspraak heeft met EMSL terwijl hij nu aan de Brigham Young University werkt. Er waren veel cellen nodig, omdat het grootste deel van het monster verloren ging bij de overgang van grondstof naar analyseklaar. Eiwitten kunnen niet worden geamplificeerd, net als DNA en RNA.

Maar nu stelt nanoPOTS het team in staat om eiwitten te meten in monsters die 100 tot 1000 keer kleiner zijn dan de eerder gebruikte, legt Kelly uit.

De kracht van deze tools maakt deel uit van wat ervoor zorgt dat een project van een dergelijke omvang in slechts vijf jaar zo'n snelle vooruitgang boekt.

populaire populier

Een andere factor die het werk versnelt, is het onderwerp:de populier. Een handig kenmerk is het gemak van vegetatieve vermeerdering, volgens DiFazio. In de grond geplaatste stengelstekken zullen gemakkelijk wortelen. De meeste bomen hebben vijf jaar nodig om te bloeien, dus wachten op zaden zou de lengte van het project in beslag nemen, hij legt uit. In plaats daarvan, vegetatieve vermeerdering stelt de onderzoekers in staat om binnen een paar maanden honderden of zelfs duizenden exacte kopieën van het origineel te maken. Plus, kopieën behouden de genetische verbeteringen in tegenstelling tot zaden die ze zouden kunnen verliezen door kruising met een andere ouderplant.

dat eigendom, naast het gemak van beheer in kassen en onderzoeksomgevingen, maakt populier tot een goed bestudeerde plant. Informatie over populier is overvloedig, inclusief de hele genoomsequentie. Het heeft ook een efficiënt transformatiesysteem, in tegenstelling tot de meeste andere bomen.

Populier is al wijdverspreid in de Verenigde Staten en Canada. Maar als het team succesvol is, zegt Ahkami, dan kunnen telers populier uitbreiden naar meer gebieden en omstandigheden waar ze momenteel niet gedijen, meer biomassa beschikbaar maken.

DiFazio denkt aan landelijke gebieden, zoals de kolengemeenschappen in zijn thuisstaat West Virginia, die hun traditionele inkomstenbronnen verliezen. "Die gemeenschappen zouden de kans krijgen om een ​​grote rol te spelen in de energie-economie, als we gewassen kunnen ontwikkelen die zullen groeien op de marginale gronden die in die delen van het land overvloedig aanwezig zijn, " hij zegt.

Een dergelijke site is de oppervlaktemijnen. "Het maakt de cirkel rond, " hij zegt.

Binnenkort op industrieterreinen, rij na rij groene energie kan er doorheen gluren.