Inuti fytotronen, rader av vita industriskåp döljer det förväntade livet i ett växthus. En titt genom en fyrkantig utsiktshamn, dock, avslöjar den gröna energin som växer inuti den ljusa kammaren. Dessa specifika poppelplantor kanske inte överlever svårigheterna med långvarig torka och värmeböljor, men de hjälper ett team av forskare att göra sådana som kan.

Stressar, som höga temperaturer och brist på sötvatten, kan orsaka minskad växttillväxt eller till och med fullständig förlust. Den ökande frekvensen av dessa stressiga perioder inspirerar till ett lopp för att hitta mer toleranta växter. Men traditionella växtförädlingsmetoder är långsamma, kräver trial and error i flera generationer. Nu, en samarbetsgrupp av forskare håller på att designa om poppel, en bioenergigröda, baserat på dess specifika genom på bara några år.

Den växande mänskliga befolkningen ställer allt större krav på användningen av alla typer av mark. För att biobränsleindustrin ska kunna konkurrera med konventionella bränslekällor måste den använda markresurser, men kräver helst inte samma premiummarker som används för att odla mat. Om biobränslegrödor är utformade för att vara mer stresstoleranta, de kan upprätthålla hög produktion av biomassa på marginella marker – hålla industrin konkurrenskraftig.

Förra året, Department of Energy's Office of Science tilldelade 5,5 miljoner dollar för att förbättra produktionen av poppelbiomassa till det multiinstitutionella teamet vid University of California, Davis, Pacific Northwest National Laboratory, och två andra universitet:University of Tennessee (UT) och West Virginia University (WVU). Projektets titel är "SyPro Poplar:Improving Poplar Biomass Production under Abiotic Stress Conditions:An Integrated Omics, Bioinformatik, Syntetisk biologi, och genteknik."

För det femåriga projektet, teamet "utvecklar några poppelträd genom ett transgeniskt tillvägagångssätt som är toleranta för flera påfrestningar samtidigt, " säger co-rektor utredare Amir H. Ahkami. Ahkami är en växtmolekylär biolog med EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-användaranläggning på PNNL.

Kombinationer

Tidigare studier har bara fokuserat på en abiotisk stress - vattenbrist, förhöjd temperatur eller marksalthalt – åt gången, förklarar Ahkami. I verkligheten, växter kan drabbas av en kombination av påfrestningar samtidigt. Så, att hitta en poppelspecifik lösning under dessa omständigheter är projektets mål.

Tricket kan vara att utveckla en serie syntetiska promotorer – promotorer kontrollerar genuttryck – som sätter på de lämpliga stresstoleranta generna. Men att nå dit kommer att kräva en kombination av avancerade metoder och ny teknik.

"Vi samlar cellbiologer, molekylärbiologer, fysiologer och ett nationellt labb i en gemensam ansträngning, säger växtbiolog Eduardo Blumwald, den ledande forskaren och en framstående professor i cellbiologi vid UC Davis. "Detta är ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, och jag tror att detta är det viktigaste elementet."

Ahkami tillägger, "Och vi samlade en riktigt bra grupp experter för det här projektet."

Växttransformation kräver en DNA-sekvens som kombinerar en promotor och en gen. Att börja med växter som har placerats under stressförhållanden kommer att hjälpa till att identifiera de viktiga stresskänsliga generna och proteinerna. Blumwald tillämpar kontrollerade stresstester på poppelväxter i ett forskningsväxthus vid UC Davis. Behandlingarna inkluderar att minska tillgången på vatten, sänka vattenkvaliteten och stänga av växthuskylningen.

På specifika datum under hela behandlingarna, Blumwald tar prover på löv och rötter från poppelproverna och skickar dem till PNNL för cell- och vävnadsspecifik omics-analys. Transcriptomics är studiet av den kompletta uppsättningen av RNA-transkript som produceras av en organisms genom, medan proteomik är studiet av dess proteiner. Den celltypsspecifika omics-metoden är unik och kommer att vara informativ.

Genom att använda denna multiomics-metod, Ahkami kan identifiera de starkt differentiellt uttryckta generna och proteinerna under stressförhållanden - som uttrycks mer eller mindre jämfört med de under normala förhållanden. Sedan, med hjälp av ett genteknikverktyg som Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats eller CRISPR, han kan verifiera funktionen hos en gen av intresse.

Han kan sedan identifiera stresskänsliga promotorer baserat på de stressinducerade generna och proteinerna och, i samarbete med experter på UT, använda bioinformatik för att upptäcka ett visst reglerande element, eller ett motiv, som vägleder konstruktionen av en promotor.

Design-bygg-test

Genom att konstruera sina egna syntetiska promotorer, forskarna är inte begränsade till endast de promotorer som finns i naturen. De kan designa sådana som är specifika för arten och celltypen så att de bara sätter på rätt gener när det behövs.

"Vi vill störa minsta möjliga av trädets utveckling, " säger Blumwald. "Om vi ​​ska uttrycka en gen konstitutivt hela tiden, vi riskerar att genen gör växterna lite mindre, till exempel."

Han liknar det vid en person som går till snabbköpet. Om någon handlar mat på väg till jobbet, då måste han eller hon ta itu med den maten i bilen eller på bussen och på jobbet — det är krångligt, han säger. Genom att handla efter jobbet, den personen får mat bara när mat behövs. De stresståliga egenskaperna bör endast uttryckas när så önskas.

Genom att använda kunskapen från omics och befintliga promotorbibliotek, forskarna ska designa, bygga och testa en uppsättning potentiella syntetiska promotorer. Mer än hundra promotorer kommer att screenas med poppelblad- och rothärledda protoplaster – celler med avlägsnade cellväggar – med hjälp av ett robotsystem i medföreståndare C. Neal Stewart, Jr:s laboratorium vid UT. För att veta om en promotor fungerar, forskarna kommer att leta efter ett fluorescerande protein för att lysa upp, förklarar Stewart, professor i växtvetenskap, som fokuserar på växtgenetik.

"Det är en av de saker där du får många misslyckanden, men allt du behöver är en eller två träffar, " säger Stewart, "Och då är det en succé."

Teamet kommer att installera de bästa artificiella promotorerna i poppelväxter för att driva genen av intresse. Sedan, forskarna kommer att utvärdera de transgena växterna i forskningsväxthuset.

Projektet avslutas med en fältstudie, vilket skiljer den från de flesta andra projekt. "Det är nästan alltid så att prestanda under fältförhållanden skiljer sig från prestanda i växthus, " säger co-rektor utredare Stephen DiFazio, en professor i växtgenomik som kommer att övervaka fältförsöken vid WVU.

Fältet utsätter transgena växter för andra påfrestningar, som vind, glasera, insekter, och patogener, inte ses i växthusmiljön. Fältförsöken kunde avslöja om en förändring av uttrycket av en infödd gen störde ett annat system av växten, förklarar DiFazio.

Framsteg hittills

Fältstudien är fortfarande ett par år kvar, eftersom projektet nu bara närmar sig slutet av sitt första år. Projektet är utmanande, säger Ahkami, men han är optimistisk.

"Den data vi har genererat hittills, speciellt för proteomik, är mycket lovande, " säger han. "Proteinidentifierarna vi hittade i varje celltyp ger bevis på konceptet för en teknik som kan användas i stor utsträckning för molekylär fenotypning av poppelblad och rotvävnader under stress vid upplösning på cellnivå."

Ahkami och resten av teamet på EMSL skulle inte vara i det här skedet utan möjligheten att integrera flera funktioner som finns tillgängliga på användaranläggningen – av vilka några aldrig har kombinerats tidigare. Nyligen, EMSL tillkännagav en omorganisation och omanpassning till nya vetenskapsområden, och dess mål inom området för biologiska vetenskaper, bland annat fokus, att förbättra strategier för att utforma anläggningar för produktion av biobränslen, vilket är SyPro Poplar-projektets mål.

Vissa nyckelverktyg och expertis vid EMSL möjliggör projektets nya celltypsspecifika analys. Från blad- och rotproverna, forskarna kan rikta in sig på specifika celltyper för skörd med laserinfångningsmikrodissektion eller LCM. Till exempel, ett blad har palisad- och svampiga mesofyllceller och kärlvävnader, och en rot har epidermis och cortexceller och stjärnvävnader. Den höga upplösningen hos EMSL:s LCM-mikroskop låter forskarna manuellt välja celler av en viss typ. Systemet kommer att skära av de önskade cellerna och sedan katapultera dem kontaktfritt till en uppsamlingsenhet.

Genom att isolera cellen eller vävnaden efter typ, "du berikar din signal, isolera en mycket mer specifik population som du sedan kan göra dina nedströmsapplikationer och frågor om, säger Will Chrisler, PNNL:s LCM-expert. Att använda ett bulkblad eller rotprov kan lätt begrava signalen.

Innan proteomikanalys med masspektrometri, forskargruppen behöver förbereda de celltypsspecifika proverna som samlats in av LCM. Den nyutvecklade tekniken som kallas nanoPOTS (nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples) spelar här en nyckelroll.

"Flaskhalsen med proteomik var med provbearbetning, " säger analytisk kemist Ryan Kelly, en av nanoPOTS-utvecklarna, som har ett gemensamt möte med EMSL medan han nu är vid Brigham Young University. Det krävdes många celler, eftersom det mesta av provet gick förlorat vid övergången från råmaterial till analysfärdigt. Proteiner kan inte amplifieras liksom DNA och RNA.

Men nu tillåter nanoPOTS teamet att mäta proteiner i prover som är 100 till 1000 gånger mindre än de som användes tidigare, förklarar Kelly.

Kraften i dessa verktyg är en del av det som gör att ett projekt av sådan omfattning kan göra så snabba framsteg på bara fem år.

Populär poppel

En annan faktor som påskyndar arbetet är ämnet:poppelträdet. En praktisk egenskap är dess lätthet i vegetativ förökning, enligt DiFazio. Stjälksticklingar som placeras i jord rotar lätt. De flesta träd tar fem år att blomma, så att vänta på frön skulle ta projektets längd, han förklarar. Istället, vegetativ förökning gör det möjligt för forskarna att göra hundratals eller till och med tusentals exakta kopior av originalet inom ett par månader. Plus, kopior upprätthåller de genetiska förbättringarna till skillnad från frön som kan förlora dem från korsning med en annan föräldraväxt.

Den egendomen, förutom att det är lätt att hantera i växthus och forskningsmiljöer, gör poppel till en väl studerad växt. Information om poppel är riklig, inklusive hela dess genomsekvens. Den har också ett effektivt transformationssystem, till skillnad från de flesta andra träd.

Poplar är redan spridd över hela USA och Kanada. Men om laget är framgångsrikt, säger Ahkami, då kan odlare expandera poppel till fler områden och förhållanden där de för närvarande inte trivs, göra mer biomassa tillgänglig.

DiFazio tänker på landsbygdsregioner, som kolsamhällena i hans hemstat West Virginia, som förlorar sina traditionella inkomstkällor. "Dessa samhällen skulle ha möjlighet att spela en stor roll i energiekonomin, om vi kan utveckla grödor som kommer att växa på de marginella marker som är rikliga i de delarna av landet, " han säger.

En sådan plats är ytgruvorna. "Det fullbordar cykeln, " han säger.

Snart på industrimarker, rad efter rad av grön energi kan titta igenom.