Ny ressource udpeger durra-plantecellers indre funktion til at designe bedre bioenergi-råmateriale

Bioenergisorghum er en vigtig ressource til produktion af biobrændstoffer og bioprodukter og en kritisk komponent i en bæredygtig fremtid i landbruget. Forskere har arbejdet hårdt for at gøre denne høje, tørke-tolerante plante endnu mere produktiv og modstandsdygtig over for barske miljøforhold. Men disse bestræbelser er hæmmet af mangel på viden om plantecellernes indre virkemåde, hvilket forhindrer videnskabsmænd i at give de korrekte genetiske instruktioner til at modificere dets nøgletræk – herunder olieproduktion.

Et hold ledet af forskere ved Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) - et Department of Energy (DOE) Bioenergy Research Center (BRC) - har skabt en værdifuld ny ressource, der giver en dybere forståelse af denne værdifulde bioenergiafgrøde og mulighed for at designe en mere modstandsdygtig sorghumplante i fremtiden.

Arbejdet er et samarbejde mellem CABBI og Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), en kollega BRC; HudsonAlpha Institute for Biotechnology; og Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), en DOE-brugerfacilitet ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Forskerne identificerede genekspressionsmønstre i de vigtigste celletyper, der udgør vævet af sorghumstængler - som tegner sig for 80 % af plantens samlede biomasse - såvel som potentielle celletypespecifikke promotorer og underliggende regulatoriske gennetværk.

Deres mål var at udvikle et billede af alle genekspressionsmønstre på enkeltcelletype-niveau, hvilket er afgørende for modifikationen af ​​denne plante gennem genteknologi - en proces, videnskabsmænd bruger til at modificere et eller nogle få målgener for at ændre planteegenskaber. Deres arbejde blev offentliggjort i The Plant Journal .

"Denne undersøgelse giver os mulighed for at tyde sorghumstammens fysiologiske og molekylære karakteristika på celletypeniveau, men det hjælper også andre forskere med forskellige interesser med at finde kandidatgener til at udvikle en større, mere modstandsdygtig sorghum," sagde hovedforfatter Jie Fu, en Ph.D. .D. kandidat med CABBI Co-PI Amy Marshall-Colon, professor i plantebiologi ved University of Illinois Urbana-Champaign.

Forskerne tilpassede en allerede eksisterende teknik kaldet laser capture microdissection (LCM) til durra-stamvæv med mere genstridige cellevægge, hvor de brugte en ultraviolet (UV) laser som kniv til at isolere forskellige celletyper. Sammen med en high-throughput-teknik kaldet RNA-sekventering, som kan teste ekspressionsmønstre af alle generne på én gang, var de i stand til at opnå et omfattende atlas af genekspressionsmønstre på det tidlige vegetative vækststadium, og afdække celletype-specifikt udtryk , veje og underliggende regulatoriske netværk.

Denne genekspressionsdatabase med høj gennemstrømning kan tjene som et grundlæggende værktøj til at give forskere med forskellige interesser på tværs af BRC'er mulighed for at udforske durrastammens molekylære og fysiologiske egenskaber på et hidtil uset celletypeniveau.

Ekspressionsmønstrene, der blev opdaget i denne undersøgelse, giver sorghumforskere en chance for at designe celletypespecifikke promotorer, der kan muliggøre målrettet genekspression på det ønskede sted og holde interferens fra andre celletyper på et minimum.

Arbejdet understøtter CABBIs "planter som fabrikker"-tilgang og det primære mål for dets forskning i råstofproduktion - at levere modstandsdygtige, højproduktive græsser, der producerer store mængder lipider og gavner andre BRC'er, der bruger sorghum eller lignende græsser.

På lang sigt vil succesfuld celletypeisolering ved hjælp af laserindfangningsmikrodissektion tillade andre typer "omics"-dataindsamling fra sorghumstængler og bidrage til en værdifuld, omfattende multi-omics-database for denne model C4-art.

Som et renere alternativ til petroleumsbaserede produkter kan biobrændstoffer og biokemikalier fremstillet af sorghum og andre bioenergiafgrøder hjælpe med at afbøde klimaændringer og garantere fødevaresikkerhed ved ikke at konkurrere med basisfødevareafgrøder for jord og vand.

Undersøgelsen vil fremskynde bestræbelserne på at designe et bedre bioenergi-sorghum-råmateriale, hvilket ikke kun giver mere viden om durra-stamvæv i celletypen, men også flere potentielle celletype-specifikke promotorer til genteknologi.

For eksempel er en flaskehals i produktionen af ​​sorghumlipid, at olie ikke ophobes i dens mest udbredte celletype (marv), og store mængder lipider ophobes på et tidligt vækststadium, hvilket hæmmer plantevæksten og resulterer i lav biomasse.

Anvendelse af celletype-specifikke promotorer opstrøms for kritiske gener identificeret i plantens lipid-produktionsproces kan dirigere akkumuleringen af ​​olie i ønskelige celletyper. Og med laboratoriets igangværende forskning i genetiske tidsmæssige reguleringsmønstre, kan det i sidste ende også føre til lipidakkumulering på et mere fordelagtigt vækststadium.

Undersøgelsen er den første højopløsningsindsigt i genekspression i modne internoder - sektionerne af stilken mellem noder, hvor blade vokser, sagde CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan fra HudsonAlpha Institute. "Det lægger grundlaget for konstruktion af specifikke celletyper til at producere nye bioprodukter," sagde hun.

Flere oplysninger: Jie Fu et al, Celletypespecifik transkriptomik afdækker rumlige regulatoriske netværk i bioenergi-sorghumstængler, The Plant Journal (2024). DOI:10.1111/tpj.16690

Journaloplysninger: The Plant Journal

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign