Bioenergie-Sorghum ist eine wichtige Ressource für die Produktion von Biokraftstoffen und Bioprodukten und ein entscheidender Bestandteil einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Zukunft. Forscher arbeiten hart daran, diese große, dürreresistente Pflanze noch produktiver und widerstandsfähiger gegen raue Umweltbedingungen zu machen. Diese Bemühungen werden jedoch durch mangelndes Wissen über die Funktionsweise der Pflanzenzellen behindert, was Wissenschaftler daran hindert, die richtigen genetischen Anweisungen zu geben, um ihre wichtigsten Merkmale – einschließlich der Ölproduktion – zu verändern.
Ein von Forschern am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) – einem Bioenergy Research Center (BRC) des Energieministeriums (DOE) – geleitetes Team hat eine wertvolle neue Ressource geschaffen, die ein tieferes Verständnis dieser wertvollen Bioenergiepflanze bietet und die Möglichkeit eröffnet, in Zukunft eine widerstandsfähigere Sorghumpflanze zu entwickeln.
Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen CABBI und dem Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), einem anderen BRC, dem HudsonAlpha Institute for Biotechnology und dem Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), einer DOE-Benutzereinrichtung am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Die Forscher identifizierten Genexpressionsmuster in den wichtigsten Zelltypen, aus denen das Gewebe der Sorghum-Stängel besteht – die 80 % der gesamten Biomasse der Pflanze ausmachen – sowie potenzielle zelltypspezifische Promotoren und zugrunde liegende regulatorische Gennetzwerke.
Ihr Ziel war es, ein Bild aller Genexpressionsmuster auf der Ebene einzelner Zelltypen zu entwickeln, was für die Modifizierung dieser Pflanze durch Gentechnik von entscheidender Bedeutung ist – ein Verfahren, mit dem Wissenschaftler ein oder mehrere Zielgene modifizieren, um Pflanzenmerkmale zu verändern. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Das Pflanzenjournal.
„Diese Studie ermöglicht es uns, die physiologischen und molekularen Eigenschaften des Sorghumstamms auf Zelltypebene zu entschlüsseln, sie hilft aber auch anderen Wissenschaftlern mit anderen Interessen dabei, Kandidatengene für die Entwicklung eines größeren, widerstandsfähigeren Sorghums zu identifizieren“, sagte der Hauptautor Jie Fu, ein Doktorand bei CABBI-Co-PI Amy Marshall-Colon, Professorin für Pflanzenbiologie an der University of Illinois Urbana-Champaign.
Die Forscher adaptierten eine bereits vorhandene Technik namens Laser Capture Microdissection (LCM) für Sorghum-Stammgewebe mit hartnäckigeren Zellwänden, wobei sie einen Ultraviolett-(UV)-Laser als Messer verwendeten, um verschiedene Zelltypen zu isolieren. In Verbindung mit einer Hochdurchsatztechnik namens RNA-Sequenzierung, mit der die Expressionsmuster aller Gene gleichzeitig getestet werden können, konnten sie einen umfassenden Atlas der Genexpressionsmuster im frühen vegetativen Wachstumsstadium erstellen und zelltypspezifische Expression, Signalwege und zugrundeliegende regulatorische Netzwerke aufdecken.
Dieser Hochdurchsatz Genexpression-Datenbank kann als grundlegendes Werkzeug dienen, um Forschern mit unterschiedlichen Interessen in verschiedenen BRCs die Erforschung molekularer und physiologischer Merkmale von Sorghumstämmen auf einem noch nie dagewesenen Zelltypniveau zu ermöglichen.
Die in dieser Studie entdeckten Expressionsmuster bieten Sorghum-Forschern die Möglichkeit, zelltypspezifische Promotoren zu entwickeln, die eine gezielte Genexpression am gewünschten Ort ermöglichen und dabei die Interferenzen durch andere Zelltypen auf ein Minimum reduzieren.
Die Arbeit unterstützt den Ansatz „Pflanzen als Fabriken“ von CABBI und das Hauptziel seiner Forschung zur Rohstoffproduktion – die Bereitstellung widerstandsfähiger, hochproduktiver Gräser, die große Mengen an Lipiden produzieren und anderen BRCs, die Sorghum oder ähnliche Gräser verwenden, zugute kommen.
Auf lange Sicht wird die erfolgreiche Zelltypisolierung mittels Laser-Mikrodissektion andere Arten der „Omics“-Datenerfassung aus Sorghum-Stängeln ermöglichen und zu einer wertvollen, umfassenden Multi-Omics-Datenbank für diese Modellart C4 beitragen.
Als sauberere Alternative zu Produkten auf Erdölbasis können aus Sorghum und anderen Bioenergiepflanzen gewonnene Biokraftstoffe und Biochemikalien zur Eindämmung des Klimawandels beitragen und die Ernährungssicherheit gewährleisten, da sie nicht mit Grundnahrungsmitteln um Land und Wasser konkurrieren.
Die Studie wird die Bemühungen zur Entwicklung eines besseren Sorghum-Rohstoffs für Bioenergie beschleunigen und nicht nur mehr Wissen über das Sorghum-Stammgewebe auf Zelltypebene liefern, sondern auch mehrere potenzielle zelltypspezifische Promotoren für die Gentechnik.
Ein Engpass bei der Lipidproduktion von Sorghum besteht beispielsweise darin, dass sich das Öl nicht im am häufigsten vorkommenden Zelltyp (Mark) ansammelt und sich bereits in einem frühen Wachstumsstadium große Mengen Lipide ansammeln, was das Pflanzenwachstum beeinträchtigt und zu geringer Biomasse führt.
Die Anwendung zelltypspezifischer Promotoren vor kritischen Genen, die im Lipidproduktionsprozess der Pflanze identifiziert wurden, kann die Ansammlung von Öl in erwünschten Zelltypen steuern. Und mit der laufenden Forschung des Labors zu zeitlichen Regulationsmustern von Genen könnte dies schließlich auch zu einer Lipidansammlung in einem günstigeren Wachstumsstadium führen.
Die Studie ist der erste hochauflösende Einblick in die Genexpression in reifen Internodien – den Abschnitten des Stängels zwischen den Knoten, an denen Blätter wachsen, sagte CABBI-Co-PI Kankshita Swaminathan vom HudsonAlpha Institute. „Sie legt den Grundstein für die Entwicklung spezifischer Zelltypen zur Herstellung neuartiger Bioprodukte“, sagte sie.
Mehr Informationen:
Jie Fu et al., Zelltypspezifische Transkriptomik deckt räumliche regulatorische Netzwerke in Bioenergie-Sorghum-Stängeln auf, Das Pflanzenjournal (2024). DOI: 10.1111/tpj.16690