Bioenergisorghum är en viktig resurs för produktion av biobränslen och bioprodukter och en kritisk komponent för en hållbar framtid för jordbruket. Forskare har arbetat hårt för att göra denna höga, torktoleranta växt ännu mer produktiv och motståndskraftig mot tuffa miljöförhållanden. Men dessa ansträngningar hämmas av en brist på kunskap om växtcellers inre funktion, vilket hindrar forskare från att ge de rätta genetiska instruktionerna för att modifiera dess nyckelegenskaper – inklusive oljeproduktion.
Ett team ledd av forskare vid Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) – ett Department of Energy (DOE) Bioenergy Research Center (BRC) – har skapat en värdefull ny resurs som ger en djupare förståelse för denna värdefulla bioenergigröda och möjlighet att designa en mer motståndskraftig sorghumväxt i framtiden.
Arbetet är ett samarbete mellan CABBI och Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), en kollega BRC; HudsonAlpha Institute for Biotechnology; och Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), en DOE-användaranläggning vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Forskarna identifierade genuttrycksmönster i de viktigaste celltyperna som utgör vävnaden av durrastammar – som står för 80 % av växtens totala biomassa – såväl som potentiella celltypsspecifika promotorer och underliggande regulatoriska gennätverk.
Deras mål var att utveckla en bild av alla genuttrycksmönster på encellsnivå, vilket är avgörande för modifieringen av denna växt genom genteknik - en process som forskare använder för att modifiera en eller några målgener för att ändra växtegenskaper. Deras arbete publicerades i The Plant Journal .
"Denna studie gör det möjligt för oss att dechiffrera sorghumstammens fysiologiska och molekylära egenskaper på celltypsnivå, men den hjälper också andra forskare med olika intressen att lokalisera kandidatgener för att utveckla en större, mer motståndskraftig sorghum", säger huvudförfattaren Jie Fu, en Ph. .D. kandidat med CABBI Co-PI Amy Marshall-Colon, professor i växtbiologi vid University of Illinois Urbana-Champaign.
Forskarna anpassade en redan existerande teknik som kallas laser capture microdissection (LCM) för durra stamvävnad med mer envisa cellväggar, där de använde en ultraviolett (UV) laser som en kniv för att isolera olika celltyper. Tillsammans med en teknik med hög genomströmning som kallas RNA-sekvensering, som kan testa uttrycksmönster för alla gener på en gång, kunde de uppnå en omfattande atlas över genuttrycksmönster i det tidiga vegetativa odlingsstadiet, och avslöja celltypsspecifikt uttryck. , vägar och underliggande regulatoriska nätverk.
Denna databas för genuttryck med hög genomströmning kan fungera som ett grundläggande verktyg för att tillåta forskare med olika intressen över BRC:er att utforska durrastammens molekylära och fysiologiska egenskaper på en aldrig tidigare skådad celltypsnivå.
Expressionsmönstren som upptäckts i denna studie ger sorghumforskare en chans att designa celltypsspecifika promotorer som kan möjliggöra riktat genuttryck på önskad plats, vilket håller störningar från andra celltyper till ett minimum.
Arbetet stöder CABBI:s "plants as factorys"-strategi och det primära målet för dess forskning om råvaruproduktion - att leverera motståndskraftiga, högproduktiva gräs som producerar stora mängder lipider och gynnar andra BRC som använder sorghum eller liknande gräs.
På lång sikt kommer framgångsrik celltypsisolering med laserinfångningsmikrodissektion att möjliggöra insamling av andra typer av "omics"-data från durrastammar och bidra till en värdefull, omfattande multiomics-databas för denna modell C4-art.
Som ett renare alternativ till petroleumbaserade produkter kan biobränslen och biokemikalier tillverkade av sorghum och andra bioenergigrödor bidra till att mildra klimatförändringarna och garantera livsmedelssäkerhet genom att inte konkurrera med baslivsmedelsgrödor för mark och vatten.
Studien kommer att påskynda ansträngningarna att designa ett bättre bioenergiråvara för durra, vilket inte bara ger mer kunskap om durras stamvävnad vid celltypen utan också flera potentiella celltypspecifika promotorer för genteknik.
Till exempel är en flaskhals i produktionen av sorghumlipid att olja inte ackumuleras i sin vanligaste celltyp (marg), och höga mängder lipider ackumuleras i ett tidigt växtstadium, vilket försämrar växttillväxten och resulterar i låg biomassa.
Användning av celltypsspecifika promotorer uppströms om kritiska gener identifierade i växtens lipidproduktionsprocess kan styra ackumuleringen av olja i önskvärda celltyper. Och med labbets pågående forskning om genetiska tidsmässiga regleringsmönster, kan det så småningom leda till lipidackumulering i ett mer fördelaktigt växtstadium också.
Studien är den första högupplösta insikten om genuttryck i mogna internoder - sektionerna av stammen mellan noder där löv växer, säger CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan från HudsonAlpha Institute. "Det lägger grunden för att konstruera specifika celltyper för att producera nya bioprodukter," sa hon.
Mer information: Jie Fu et al, Celltypsspecifik transkriptomik avslöjar rumsliga regulatoriska nätverk i bioenergisorghumstammar, The Plant Journal (2024). DOI:10.1111/tpj.16690
Journalinformation: The Plant Journal
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
