Forbedring af poppelbiomasseproduktion under stressforhold

Inde i phytotronen, rækker af hvide industriskabe skjuler det forventede liv i et drivhus. Et kig gennem en firkantet udsigtshavn, imidlertid, afslører den grønne energi, der vokser inde i det lyse kammer. Disse specifikke poppeltræer overlever muligvis ikke strabadserne ved langvarige tørker og hedebølger, men de hjælper et team af forskere med at lave dem, der kan.

Stresser, høje temperaturer og mangel på ferskvand, kan forårsage nedsat afgrødevækst eller endda fuldstændigt tab. Den stigende hyppighed af disse stressende perioder inspirerer til et kapløb om at finde mere tolerante planter. Men traditionelle planteavlsmetoder er langsomme, kræver forsøg og fejl på tværs af flere generationer. Nu, en samarbejdsgruppe af forskere er ved at redesigne poppel, en bioenergiafgrøde, baseret på dets specifikke genom på få år.

Den voksende menneskelige befolkning stiller stigende krav til anvendelsen af ​​alle typer jord. For at biobrændstofindustrien kan konkurrere med konventionelle brændstofkilder, skal den bruge landressourcer, men ideelt set ikke kræve de samme præmiejorder, der bruges til at dyrke mad. Hvis biobrændstofafgrøder er designet til at være mere stresstolerante, de kan opretholde en høj biomasseproduktion på marginale jorder – holde industrien konkurrencedygtig.

Sidste år, Department of Energy's Office of Science tildelte 5,5 millioner dollars til at forbedre produktionen af ​​poppelbiomasse til det multi-institutionelle team fra University of California, Davis, Pacific Northwest National Laboratory, og to andre universiteter:University of Tennessee (UT) og West Virginia University (WVU). Projektets titel er "SyPro Poplar:Improving Poplar Biomass Production under Abiotic Stress Conditions:An Integrated Omics, Bioinformatik, Syntetisk biologi, og genteknologisk tilgang."

For det femårige projekt, holdet "udvikler nogle poppeltræer ved en transgen tilgang, der er tolerante over for flere belastninger på samme tid, " siger co-principal investigator Amir H. Ahkami. Ahkami er en plantemolekylær biolog med EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en DOE Office of Science brugerfacilitet hos PNNL.

Kombinationer

Tidligere undersøgelser har kun fokuseret på én abiotisk stress - vandmangel, forhøjet temperatur eller jordsaltindhold – ad gangen, forklarer Ahkami. I virkeligheden, planter kan lide af en kombination af belastninger samtidigt. Så, at finde en poppel-specifik løsning under disse omstændigheder er projektets mål.

Tricket kan være at udvikle en række syntetiske promotorer - promotorer kontrollerer genekspression - der tænder de passende stress-tolerante gener. Men at komme dertil kræver en kombination af avancerede tilgange og nye teknologier.

"Vi samler cellebiologer, molekylærbiologer, fysiologer og et nationalt laboratorium i en fælles indsats, " siger plantebiolog Eduardo Blumwald, den ledende hovedforsker og en fremtrædende professor i cellebiologi ved UC Davis. "Dette er en tværfaglig tilgang, og jeg tror, ​​at dette er det vigtigste element."

Ahkami tilføjer, "Og vi samlede en rigtig god gruppe eksperter til dette projekt."

Plantetransformation kræver en DNA-sekvens, der kombinerer en promotor og et gen. At starte med planter, der er blevet anbragt under stressforhold, vil hjælpe med at identificere de vigtige stress-responsive gener og proteiner. Blumwald anvender kontrollerede stresstests på poppelplanter i et forskningsdrivhus ved UC Davis. Behandlingerne omfatter reduktion af vandtilgængeligheden, sænke vandkvaliteten og slukke drivhuskølingen.

På bestemte datoer under hele behandlingerne, Blumwald prøver blade og rødder fra poppelprøverne og sender dem til PNNL til celle- og vævsspecifik omics-analyse. Transcriptomics er studiet af det komplette sæt af RNA-transkriptioner produceret af en organismes genom, mens proteomik er studiet af dets proteiner. Den celletypespecifikke omics-tilgang er unik og vil være informativ.

Ved at bruge denne multiomiske tilgang, Ahkami kan identificere de meget differentielt udtrykte gener og proteiner under stressforhold - som udtrykkes mere eller mindre sammenlignet med dem under normale forhold. Derefter, ved hjælp af et genteknologisk værktøj såsom Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats eller CRISPR, han kan verificere funktionen af ​​et gen af ​​interesse.

Han kan derefter identificere stress-responsive promotorer baseret på de stress-inducerede gener og proteiner og, i samarbejde med eksperter på UT, bruge bioinformatik til at opdage et bestemt regulatorisk element, eller et motiv, der styrer konstruktionen af ​​en promotor.

Design-byg-test

Ved at udvikle deres egne syntetiske promotorer, forskerne er ikke begrænset til kun de promotorer, der findes i naturen. De kan designe dem, der er specifikke for arten og celletypen, så de kun tænder for de rigtige gener, når det er nødvendigt.

"Vi ønsker at blande mindst muligt i udviklingen af ​​træet, " siger Blumwald. "Hvis vi skal udtrykke et gen konstitutivt hele tiden, vi risikerer, at genet gør planterne en smule mindre, for eksempel."

Han sammenligner det med en person, der går i supermarkedet. Hvis nogen handler mad på vej til arbejde, så skal han eller hun håndtere den mad i bilen eller i bussen og på arbejde – det er besværligt, han siger. Ved at handle efter arbejde, den person får kun mad, når der er behov for mad. De stressresistente egenskaber bør kun udtrykkes, når det ønskes.

Ved at bruge viden opnået fra omics og eksisterende promotorbiblioteker, forskerne vil designe, opbygge og teste en række potentielle syntetiske promotorer. Mere end hundrede promotorer vil blive screenet med poppelblad- og rodafledte protoplaster - celler med fjernede cellevægge - ved hjælp af et robotsystem i co-principal investigator C. Neal Stewart, Jr.s laboratorium på UT. For at vide, om en promotor virker, forskerne vil lede efter et fluorescerende protein til at lyse op, forklarer Stewart, professor i plantevidenskab, der fokuserer på plantegenetik.

"Det er en af ​​de ting, hvor du får mange fiaskoer, men alt hvad du behøver er et eller to hits, " siger Stewart, "Og så er det en succes."

Holdet vil installere de bedste kunstige promotorer i poppelplanter for at drive genet af interesse. Derefter, forskerne vil vurdere de transgene planter i forskningsdrivhuset.

Projektet afsluttes med et feltstudie, hvilket adskiller det fra de fleste andre projekter. "Det er næsten altid sådan, at ydeevnen under markforhold er forskellig fra ydeevnen i drivhuset, " siger co-principal investigator Stephen DiFazio, en professor i plantegenomik, der skal føre tilsyn med feltforsøgene på WVU.

Marken udsætter transgene planter for andre belastninger, såsom vind, frost, insekter, og patogener, ikke ses i drivhusmiljøet. Feltforsøgene kunne afsløre, om ændring af ekspressionen af ​​et naturligt gen forstyrrede et andet system af planten, forklarer DiFazio.

Fremskridt indtil videre

Feltstudiet er stadig et par år væk, fordi projektet nu først nærmer sig slutningen af ​​sit første år. Projektet er udfordrende, siger Ahkami, men han er optimistisk.

"De data, vi har genereret indtil videre, især til proteomik, er meget lovende, " siger han. "Proteinidentifikatorerne, vi fandt i hver celletype, giver bevis på konceptet for en teknik, der kunne bruges bredt til molekylær fænotyping af poppelblade og rodvæv under stress ved opløsning på celleniveau."

Ahkami og resten af ​​teamet på EMSL ville ikke være på dette stadie uden evnen til at integrere flere funktioner, der er tilgængelige på brugerfaciliteten - hvoraf nogle aldrig er blevet kombineret før. For nylig, EMSL annoncerede en omorganisering og omlægning til nye videnskabsområder, og dets biologiske videnskabsområdes mål, blandt andet fokus, at forbedre strategier for design af anlæg til produktion af biobrændstoffer, som er SyPro Poplar-projektets mål.

Visse nøgleværktøjer og ekspertise hos EMSL muliggør projektets nye celletypespecifikke analyse. Fra blad- og rodprøverne, forskerne kan målrette specifikke celletyper til høst ved hjælp af laser capture microdissection eller LCM. For eksempel, et blad har palisade og svampede mesofylceller og karvæv, og en rod har epidermis og cortexceller og stjernevæv. Den høje opløsning af EMSLs LCM-mikroskop lader forskerne manuelt udvælge celler af en bestemt type. Systemet vil skære de ønskede celler og derefter katapultere dem kontaktfrit til en opsamlingsenhed.

Ved at isolere cellen eller vævet efter type, "du beriger dit signal, at isolere en meget mere specifik population, som du derefter kan lave dine downstream-applikationer og spørgsmål om, " siger Will Chrisler, PNNLs LCM-ekspert. Brug af et bulkblad eller rodprøve kunne nemt begrave signalet.

Før proteomisk analyse ved massespektrometri, forskerholdet skal forberede de celletypespecifikke prøver indsamlet af LCM. Den nyudviklede teknologi kaldet nanoPOTS (nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples) spiller en nøglerolle her.

"Flaskehalsen med proteomics var prøvebehandling, " siger analytisk kemiker Ryan Kelly, en af ​​nanoPOTS-udviklerne, som opretholder en fælles aftale med EMSL, mens han nu er på Brigham Young University. Det krævede mange celler, fordi det meste af prøven gik tabt ved overgangen fra råmateriale til analyseklar. Proteiner kan ikke amplificeres, ligesom DNA og RNA kan.

Men nu giver nanoPOTS holdet mulighed for at måle proteiner i prøver, der er 100 til 1000 gange mindre end dem, der tidligere blev brugt, forklarer Kelly.

Styrken ved disse værktøjer er en del af det, der gør det muligt for et projekt af en sådan størrelsesorden at gøre så hurtige fremskridt på kun fem år.

Populær poppel

En anden faktor, der fremskynder arbejdet, er emnet:poppeltræet. En bekvem egenskab er dens lethed i vegetativ formering, ifølge DiFazio. Stængelstiklinger placeret i jorden vil let rodfæste. De fleste træer tager fem år om at blomstre, så at vente på frø ville tage længden af ​​projektet, forklarer han. I stedet, vegetativ formering giver forskerne mulighed for at lave hundreder eller endda tusindvis nøjagtige kopier af originalen inden for et par måneder. Plus, kopier bevarer de genetiske forbedringer i modsætning til frø, der kunne miste dem fra krydsning med en anden moderplante.

Den ejendom, sideløbende med dens lette styring i drivhuse og forskningsmiljøer, gør poppel til en velundersøgt plante. Information om poppel er rigelig, inklusive hele dens genomsekvens. Det har også et effektivt transformationssystem, i modsætning til de fleste andre træer.

Poppel er allerede udbredt over hele USA og Canada. Men hvis holdet har succes, siger Ahkami, så kan avlerne udvide poppel til flere områder og forhold, hvor de i øjeblikket ikke trives, gøre mere biomasse tilgængelig.

DiFazio tænker på landdistrikter, ligesom kulsamfundene i hans hjemstat West Virginia, som mister deres traditionelle indkomstkilder. "Disse samfund ville have mulighed for at spille en stor rolle i energiøkonomien, hvis vi kan udvikle afgrøder, der vil vokse på de marginale jorder, der er rigelige i de dele af landet, " han siger.

Et sådant sted er overflademinerne. "Det fuldender cyklussen, " han siger.

Snart på industriområder, række efter række af grøn energi kunne kigge igennem.