Die Forschung des Wissenschaftlers Xiaohan Yang am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums konzentriert sich auf die Umwandlung von Pflanzen, um sie zu besseren Quellen für erneuerbare Energie und Kohlenstoffspeicherung zu machen.
Er arbeitet mit dem vom ORNL geleiteten Center for Bioenergy Innovation (CBI) zusammen, einem DOE-Bioenergie-Forschungszentrum, in dem Wissenschaftler Rohstoffpflanzen wie Pappeln entwickeln, die schnell wachsen, weniger Wasser und Dünger benötigen und leicht abgebaut und in nachhaltige Flugtreibstoffe umgewandelt werden können.
Was ist Pflanzentransformation?
Eine Pflanzentransformation findet statt, wenn wir DNA von einer Pflanze auf eine andere übertragen und so eine bessere Hybride erzeugen. Wir identifizieren das Gen oder die Gruppe von Genen, die mit einer gewünschten physischen Eigenschaft wie Trockenheitstoleranz oder höherem Ertrag verbunden sind, und fügen sie dann in eine andere Pflanze ein. Das Ziel besteht darin, die Zielpflanze dazu zu bringen, das Merkmal zu zeigen, das wir sehen möchten.
Die Transformation ist erfolgreich, wenn wir sicherstellen, dass das ausgedrückte Merkmal stabil ist, was bedeutet, dass das Merkmal von Generation zu Generation an die Nachkommen der Pflanze vererbt wird. Bei ORNL konzentrieren wir uns auf die Entwicklung von Pflanzen, die einfach und kostengünstig anzubauen sind und viel Biomassematerial produzieren, das in saubere Flugzeugtreibstoffe und biobasierte Chemikalien umgewandelt werden kann.
Warum ist die Forschung wichtig?
Die Entwicklung und Feldtests einer genetisch stabilen, transformierten Pflanze, die zur Vermarktung bereit ist, können Jahre dauern. Die Beschleunigung dieses Prozesses ist unerlässlich, um die heutigen Klimaherausforderungen mit nachhaltigen Flugtreibstoffen und Bioprodukten aus Pflanzen zu bewältigen – insbesondere Non-Food-Pflanzen, die auf marginalem Land unter nicht idealen Bedingungen wachsen können.
Dieses Wissen könnte sogar auf andere Kulturpflanzen übertragen werden, um neue Pflanzen zu fördern, die widerstandsfähiger gegen Umweltherausforderungen wie Dürre, Schädlinge und Krankheiten sind und einen besseren Ertrag und eine bessere Qualität erzielen. Wenn wir diese Pflanzen dazu bringen können, mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen und in den Boden zu übertragen, unterstützt das auch die Dekarbonisierungsbemühungen. Am Ende haben wir also eine Kohlenstoffbindung unter der Erde aus dem Wurzelsystem und Biokraftstoffe für Jets, die aus oberirdischer Biomasse hergestellt werden.
Welche Entdeckungen haben Sie bisher gemacht?
Wir haben in semiariden Pflanzen Gene entdeckt, die mit Trockenresistenz und beschleunigtem Wachstum verbunden sind. Pflanzen wie Agaven haben sich entwickelt, um in trockenen Umgebungen zu überleben, indem sie eine besondere Art der Photosynthese namens CAM entwickelt haben [crassulacean acid metabolism]. CAM-Pflanzen absorbieren Kohlendioxid über Blattporen, sogenannte Stomata, und wandeln es in eine organische Säure um, die es nachts speichert, wenn die Wahrscheinlichkeit einer Verdunstung des Wassers geringer ist.
Tagsüber bleiben die Spaltöffnungen geschlossen, wodurch Wasser gespart und Sonnenlicht zur Umwandlung von CO2 in chemische Energie genutzt wird. Wir identifizierten die mit CAM verbundenen Gene durch Sequenzierung der RNA und DNA in zwei verschiedenen Arten, Agave americana und Kalanchoe fedtschenkoi.
Wir haben auch ein einzelnes Variantengen in CAM entdeckt, das in Pflanzen gleichzeitig zwei Wege auslöst: einen für die Kohlenstofffixierung und das Pflanzenwachstum und den anderen, der die Produktion von Prolin anregt, einer Aminosäure, die mit Stresstoleranz verbunden ist. Mit dem Gen manipulierte Tabakpflanzen produzierten selbst unter Stress mehr Biomasse. Das Gen fungierte als Hauptregulator und schaltete andere Gene in der Pflanze ein.
Bei der Sequenzierung der Boten-RNA in Agaven haben wir auch das REVEILLE1-Gen entdeckt, das steuert, wann die Pflanze in den Ruhezustand geht und wann sie mit dem Austrieb beginnt, was uns dabei helfen kann, ihre Wachstumsperiode zu verlängern. Wir haben das Gen in Pappeln eingefügt und einen Baum entwickelt, der höher wächst, größere Blätter und dickere Stämme hat. Mit REVEILLE1 transformierte Pappeln zeigten beim Anbau im Gewächshaus einen Anstieg der Biomasse um 166 %.
Worauf konzentrieren Sie sich jetzt?
Wir haben kürzlich eine Möglichkeit entwickelt und demonstriert, Pflanzen noch schneller zu transformieren, indem wir erfolgreich mehrere Gene gleichzeitig in Pflanzen einbauen – einen Ansatz namens Gen-Stacking. Wir haben ein geteilt auswählbares Markersystem erstellt, das die Transformation mithilfe von Inteins beschleunigt. Inteine sind Proteinsegmente, die eine natürliche Fähigkeit besitzen, sich von größeren Proteinen abzuspalten, wodurch die Teilfragmente wieder zu einem voll funktionsfähigen Protein zusammengesetzt werden können. Das System umfasst Marker, die die transformierten Zellen identifizieren, ihre Stabilität unterstützen und gentechnische Ereignisse mithilfe lichtbasierter Biosensoren erkennbar machen.
Wichtig ist das wählbare Markersystem. Indem wir die genetischen Veränderungen im ultravioletten Licht sichtbar machen, können wir mit einer UV-Taschenlampe feststellen, ob unsere Transformation erfolgreich war.
Dies vermeidet den zeitaufwändigen und kostspieligen Prozess der Probenahme eines Teils der Pflanze zur molekularen Charakterisierung und beschleunigt die Züchtung neuer Pflanzen. Mit diesem sichtbaren Biomarker können wir molekulare Veränderungen in Pflanzen im Gewächshaus und auf dem Feld schneller und einfacher verfolgen und so unsere Phänotypisierungsarbeit, die Pflanzenmerkmale mit der zugrunde liegenden Genetik verknüpft, erheblich beschleunigen.
Wir haben die gleichzeitige Insertion von vier Genen in Pappeln demonstriert und arbeiten nun daran, 12 Gene gleichzeitig zu stapeln, um einen besseren Hybrid zu schaffen. Wir glauben, dass die Technik verfeinert werden kann, um die Stapelung von bis zu 20 Genen zu unterstützen. Dieser neue Ansatz zur Pflanzentransformation ist eine der wichtigsten Entwicklungen der CBI-Forschung zu Biomasserohstoffen in den letzten 15 Jahren.
Was steht im Bereich der Pflanzentransformation an?
Eines meiner mittelfristigen Ziele bezieht sich auf das von uns entwickelte Biomarkersystem, das Gentechnik und Phänotypisierung für ein beschleunigtes Ökosystem der Pflanzengentechnik integriert. Die Technologie ermöglicht ein nichtinvasives, kostengünstiges Hochdurchsatzsystem zur Phänotypisierung auf mehreren Ebenen: der molekularen Ebene, der Stoffwechselebene und der Pflanzenebene.
Unser lichtbasierter Biosensorprozess kann die langsame, sorgfältige Erfassung von Phänotypisierungsdaten durch ein Echtzeit-Erkennungssystem in einem Durchgang ersetzen, das uns sagt, ob wir erfolgreich gentechnisch veränderte Pflanzen mit den gewünschten Merkmalen geschaffen haben. Dies könnte zu einer bahnbrechenden Innovation in der Pflanzenforschung werden, ähnlich der Technologie in Science-Fiction-Filmen, wo man mit einem berührungslosen Instrument den Körper scannt und den Gesundheitszustand einer Person ermittelt.
Wir werden die Anwendung in unserem Advanced Plant Phenotyping Laboratory am ORNL testen. Wir bauen eine Pflanzentransformationspipeline auf, die mit der synthetischen Biologie beginnt und an die beschleunigte Phänotypisierung anschließt.
Mein längerfristiges Ziel ist es, in einem spannenden neuen Bereich zu forschen: der synthetischen Genomik von Pflanzen. Wir nähern uns diesem Prozess, wenn wir mehrere Gene in Pflanzen einbauen. Mit der synthetischen Genomik können wir ein völlig neues Chromosom entwerfen, das der Pappel mit allen gewünschten neuen Merkmalen hinzugefügt wird, anstatt nur bestehende Gene zu modifizieren.
Die Technik wurde bereits in Hefe demonstriert und wir hoffen, dass wir diese bahnbrechende Fähigkeit innerhalb von 10 Jahren in Pflanzen etablieren können. Es ist so, als würde man ein 100 Jahre altes Haus kaufen und dann versuchen, es zu modernisieren. Es ist sehr schwierig. Warum nicht ein neues Haus bauen, das alles bietet, was Sie sich wünschen? In der Pflanzenwissenschaftsgemeinschaft herrscht große Begeisterung über das Potenzial der synthetischen Genomik und darüber, wie die technologischen Herausforderungen gelöst werden können, um dieses Ziel zu erreichen.