Künstliche Ökosysteme könnten zu besseren Bioenergiepflanzen führen

Ein besseres Verständnis darüber, wie Pflanzen und Mikroben zusammenarbeiten, um große Mengen atmosphärischen Kohlenstoffs im Boden zu speichern, wird bei der Entwicklung besserer Bioenergiepflanzen für den Kampf gegen den Klimawandel helfen.

Die Mechanismen dieser für beide Seiten vorteilhaften Beziehung zu entschlüsseln, ist jedoch eine Herausforderung, da es für Wissenschaftler äußerst schwierig ist, die Bedingungen in der Natur im Labor nachzubilden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) künstliche Ökosysteme oder EcoFABs geschaffen.

In einem neuen Artikel in Wissenschaftliche FortschritteSie zeigen, wie diese Wachstumskammern aus Kunststoff in der Größe einer Take-away-Box Wissenschaftlern auf der ganzen Welt möglicherweise eine standardisierte und reproduzierbare Plattform für die Durchführung von Experimenten an Modellpflanzen und den Mikroben, die um ihre Wurzeln herum leben, bieten könnten.

Dies könnte wiederum die Forschung zur Entwicklung verbesserter Bioenergiepflanzen beschleunigen, die in nährstoffarmen Böden wachsen und mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre absorbieren können, als derzeit möglich ist.

„Die übergeordnete Idee hinter EcoFABs besteht darin, dass in der Pflanzenmikrobiomforschung ein echter Bedarf an einer Plattform besteht, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Daten besser auszutauschen und auf der Arbeit anderer aufzubauen“, sagte Vlastimil Novak, Hauptautor des Papiers und Projektwissenschaftler in Berkeley Abteilung für Umweltgenomik und Systembiologie (EGSB) des Labors.

„Derzeit nutzen etwa 20 Labore unsere Geräte, aber wir möchten sie irgendwann für jedermann auf der Welt zugänglicher machen.“

Für die Studie verwendeten Novak und Kollegen im Labor von Trent Northen EcoFABs, um zu testen, wie sich verschiedene Formen von Stickstoff auf die Produktion organischer Substanzen auswirken, die von den Wurzeln in Brachypodium abgegeben werden, einer kleinen Grasart, die als Modell für Bioenergiegräser dient.

Stickstoff ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich, und Novak stellte in der Literatur fest, dass sein Zusammenhang mit der Wurzelausscheidung oder den Arten von Verbindungen, die von den Wurzeln einer Pflanze produziert werden, bei dieser Grasart noch nicht ausreichend untersucht wurde.

Er und seine Mitarbeiter führten Experimente durch, bei denen Brachypodium mit verschiedenen Stickstoffquellen – Ammonium, Nitrat oder einer Kombination – versorgt wurde, und beobachteten Veränderungen in der Zusammensetzung des Wurzelexsudats. Sie fanden heraus, dass unterschiedliche Stickstoffmengen die Art der von den Wurzeln produzierten Verbindungen beeinflussten und dass die Pflanzen am besten wuchsen, wenn sie sowohl Ammonium als auch Nitrat erhielten.

Ein interessanter Befund war die Produktion von Dopamin in den Wurzelausscheidungen nur dann, wenn sowohl Ammonium als auch Nitrat zusammen vorhanden waren. Dies deutet darauf hin, dass bestimmte Ernährungsbedingungen die Produktion bestimmter Metaboliten beeinflussen, was wiederum das Pflanzenwachstum beeinflussen könnte.

„Die Ergebnisse dieser Forschung können Einfluss auf die Praktiken des Nährstoffmanagements haben und im Wesentlichen sagen, dass es für Brachypodium oder ähnliche Gräser für ein optimales Wachstum wichtig ist, sowohl Ammonium als auch Nitrat gleichzeitig bereitzustellen“, sagte Novak. „Es gibt uns auch Ideen für einige ziemlich interessante organische Verbindungen im Wurzelmikrobiom, die wir in Zukunft untersuchen sollten.“

EcoFABs könnten letztendlich mit Fortschritten in der Robotik und dem KI-Lernen kombiniert werden, um die Entdeckungsgeschwindigkeit in der Pflanzenmikrobiomforschung drastisch zu erhöhen. Eine weitere aufstrebende Entwicklung im Berkeley Lab ist der sogenannte EcoBOT, ein automatisiertes Robotersystem, das EcoFAB-Experimente autonom durchführen kann.

„Wir könnten letztendlich Experimente auf einem Computer entwerfen, und dann erledigt er alles für Sie“, sagte Pete Andeer, ein EGSB-Forschungswissenschaftler, der mit Northen zusammenarbeitete, um das EcoFAB zu entwerfen. „Das wäre das Endziel: Integration dieser EcoFAB-Geräte in das EcoBOT-System.“

Ein großartiges Werkzeug zum Lernen

EcoFABs bieten nicht nur eine Fülle von Vorteilen für professionelle Wissenschaftler, sondern hinterlassen auch im Klassenzimmer Eindruck, wo sie sowohl von High-School- als auch Community-College-Studenten als Lernplattform in Kalifornien genutzt werden.

Die aktuellen EcoFAB-Outreach-Aktivitäten des Northen-Labors umfassen die Zusammenarbeit mit verschiedenen Bildungseinrichtungen, darunter örtlichen Gymnasien und dem Los Medanos College.

Seit 2020 führen Oberstufenschüler, die am Berkeley Lab Director’s Apprenticeship Program teilnehmen, Experimente mit EcoFABs durch, um das Pflanzenwachstum unter verschiedenen Stickstoffbedingungen zu untersuchen. Das Forschungsprojekt stellt nach wie vor einen Höhepunkt des Programms dar, wodurch bei vielen Studierenden das Interesse an Biologie und Laborforschung geweckt wird.

„EcoFABs ermöglichten es uns, Mikroorganismen im Klassenzimmer auf eine Weise zu besprechen, die andere Einheiten miteinander vernetzte“, sagte Christina McGhee-Esquivel, Biologielehrerin an der Skyline High School in Oakland, die von EcoFABs erfuhr, als sie Lehrerkollegin an der K-12-Klasse des Berkeley Lab war Team im Jahr 2021. „Für die Schüler war es unglaublich wichtig, nicht nur zu sehen, wie Wurzeln wachsen, sondern auch mikrobielle Gemeinschaften zu verstehen.“

Weitere Kooperationen mit Organisationen wie Biotech Partners zielen darauf ab, Biotechnologie-Ausbildung, einschließlich der Verwendung von EcoFABs, an High Schools, die Minderheiten dienen, in der gesamten Bay Area einzuführen. Darüber hinaus laufen Diskussionen über die Integration von EcoFABs in eine stärkere Grundausbildung am Los Medanos College, wo Studierende im Sommer 2024 wieder die Möglichkeit haben werden, ihre eigenen Pflanzenexperimente zu entwerfen und durchzuführen.

„Forschung gehört traditionell nicht zum Community-College-Erlebnis, aber viele unserer MINT-Studenten möchten wechseln und forschen oder in Laboren arbeiten, Praktika absolvieren und dergleichen“, sagte Jill Bouchard, Biologieprofessorin in Los Angeles Medanos College. „Es ist uns wirklich wichtig, ihnen Erfahrungen mit der Forschung zu vermitteln. Und das war eine wunderbare Möglichkeit, dies zu tun.“