Gen tzw Propagator Stwierdzono, że u topoli występuje działanie wzmacniające fotosynteza i wzrost nawet o 200% w kontrolowanych warunkach i 30% na polu.
To odkrycie ma znaczenie dla innych upraw, takich jak Arabidopsismoże prowadzić do zwiększenia plonów rolnych i produkcji bioenergii bez dodatkowych zasobów.
Przełomowe odkrycie w biotechnologii roślin
Zespół naukowców z dwóch ośrodków badawczych Departamentu Energii i Bioenergii — Centrum Innowacji Bioenergii (CBI) w Oak Ridge National Laboratory i Centrum Zaawansowanych Innowacji w Bioenergii i Bioproduktach Uniwersytetu Illinois (CABBI) — odkrył gen u topoli co znacząco wzmaga fotosyntezę. Ten gen, tzw Propagatormoże zwiększyć wysokość drzew o około 30% w warunkach polowych i do 200% w środowiskach szklarniowych.
Oprócz pobudzania wzrostu topoli, Propagator zwiększyła także biomasę Arabidopsis (rzeżucha pospolita), co sugeruje, że może potencjalnie zwiększyć plony innych upraw, jeśli zostanie zastosowany na większą skalę.
Topola: kluczowy zasób bioenergii
Propagator został zidentyfikowany w Populus trichocarpalub topolę czarną, a gatunek rosnąca od Baja California w Meksyku po północną Kanadę. Drzewo to jest uznawane za wiodącego kandydata na surowiec do produkcji biopaliw i bioproduktów.
Propagator to gen chimeryczny, który zawiera sekwencje trzech pierwotnie oddzielonych genów i został zachowany w topoli z minimalnymi zmianami w czasie ewolucji. Gen odgrywa ważną rolę w fotosyntezie, procesie wykorzystywanym przez rośliny do przekształcania światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody w glukozę – element budulcowy celulozy, skrobi i innych makrocząsteczek związanych z produkcją żywności i paliw.
Geny chimeryczne mają unikalne pochodzenie i uważa się, że umożliwiają zmiany ewolucyjne, które pomagają roślinom przystosować się do nowego środowiska. W przypadku Propagatorzespół ORNL ustalił, że zawiera trzy różne DNA pochodzenie. Jeden segment pochodzi od bakterii występującej w systemie korzeniowym topoli; jeden segment pochodzi od mrówki hodującej grzyba, o którym wiadomo, że zakaża topolę; a jeden segment pochodzi z dużej podjednostki Rubisco, białka występującego powszechnie w chloroplastach roślinnych.
Chloroplasty to główne struktury komórkowe, w których mieści się aparat fotosyntetyczny przekształcający energię świetlną w energię chemiczną, która napędza wzrost roślin. Białko Rubisco pełni w roślinie funkcję „pochłaniacza węgla”, wychwytującego dwutlenek węgla z atmosfery. Naukowcy od lat pracują nad sposobami zwiększenia ilości Rubisco w roślinach w celu zwiększenia plonów i absorpcji atmosferycznego CO2.
Wpływ wielogatunkowy i potencjał rolniczy
Kiedy badacze stworzyli topole o większej ekspresji Propagator genu, zawartość Rubisco i późniejsza aktywność fotosyntetyczna gwałtownie wzrosły, w wyniku czego rośliny były aż o 200% wyższe w warunkach szklarniowych, jak opisano w czasopiśmie Komórka Rozwojowa. Drzewa wykazały do 62% większą zawartość Rubisco i około 25% wzrost absorpcji CO2 netto przez liście. W warunkach polowych naukowcy odkryli wyższą ekspresję Propagator zaowocowało uzyskaniem topoli o 37% wyższych i aż o 88% większej objętości pnia, co zwiększyło biomasę w przeliczeniu na roślinę.
Naukowcy włożyli Propagator w innej roślinie, Arabidopsis, co skutkuje podobnym wzrostem biomasy i 50% wzrostem produkcji nasion. To odkrycie wskazuje na szersze zastosowanie Propagator potencjalnie wywołać wyższe plony w innych roślinach.
Postęp w kierunku zrównoważonej bioenergii
Topola i Arabidopsis są znane jako rośliny C3 i jest to kategoria obejmująca kluczowe rośliny spożywcze, takie jak soja, ryż, pszenica i owies. The Propagator gen ma potencjał zwiększenia plonów roślin bioenergetycznych bez konieczności stosowania większej ilości gruntów, wody lub nawozów, co wspiera solidną biogospodarkę. Jeśli Propagator działa podobnie w przypadku roślin spożywczych, wyższe plony mogłyby zmniejszyć niedobory żywności na całym świecie.
„Uprawa wysokowydajnych, wieloletnich roślin bioenergetycznych na gruntach marginalnych nieodpowiednich dla konwencjonalnego rolnictwa może pomóc nam zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na biopaliwa płynne w sektorach trudnych do zelektryfikowania, takich jak lotnictwo” – powiedział Jerry Tuskan, dyrektor CBI i Corporate Fellow w ORNL, który jest współautorem papier. „Szybko rosnące, odporne rośliny surowcowe mogą stymulować biogospodarkę, tworzyć miejsca pracy na obszarach wiejskich i wspierać prognozowane zapotrzebowanie na energię”.
„To odkrycie może zmienić zasady gry, jeśli chodzi o znaczną stymulację fotosyntezy i produktywności roślin” – powiedział Stephen Long, czołowy autorytet w dziedzinie fotosyntezy roślin i profesor na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign, który jest także współautorem swojej pracy rolę w kierowanej przez Illinois CABBI. „Chociaż musimy przeprowadzić szerzej zakrojone testy, aby mieć pewność, że możemy odtworzyć wyniki na dużą skalę, fakt, że lek zadziałał w zupełnie niepowiązanej roślinie, wskazuje, że może działać na szerszej gamie roślin”.
Kolejne etapy badań mogą obejmować wielolokacyjne próby terenowe topoli oraz innych roślin bioenergetycznych i spożywczych, podczas których badacze będą rejestrować produktywność roślin w różnych warunkach wzrostu w celu przeanalizowania długoterminowego sukcesu, powiedział Long.
Odkrycie było wynikiem współpracy między dwoma ośrodkami DOE, w których naukowcy skupiają się na opracowywaniu ulepszonych zakładów produkujących surowce do bioenergii wraz z wydajnymi metodami przetwarzania roślin w zaawansowane paliwa i produkty.
Współpraca strategiczna i badania genetyczne
W CBI kierowanym przez ORNL naukowcy od lat badają topolę jako szybko rosnącą, wieloletnią roślinę niespożywczą, wykorzystywaną do produkcji surowca. Oni zgromadzili pierwsze badanie asocjacyjne obejmujące cały genom (GWAS). Populus trichocarpa pobierając próbki z 1500 dzikich drzew i analizując ich cechy fizyczne i skład genetyczny. GWAS, jeden z pierwszych i największych tego rodzaju, zidentyfikował ponad 28 milionów polimorfizmów pojedynczych nukleotydów, które działają jak markery biologiczne, pomagając naukowcom lokalizować geny powiązane z określonymi cechami, takimi jak wzrost roślin; zawartość węgla, azotu i ligniny; i jak efektywnie rośliny wykorzystują wodę.
Naukowcy z CBI i CABBI wykorzystali populację GWAS do poszukiwania dwóch kandydujących genów, które powiązano z wygaszaniem fotosyntezy – procesem regulującym szybkość, z jaką rośliny dostosowują się między słońcem a cieniem oraz rozpraszają nadmiar energii ze zbyt dużej ilości słońca, aby uniknąć uszkodzeń. Naukowcy z projektu CABBI wykorzystali opracowane przez siebie techniki przesiewowe do przeprowadzenia szybkiego fenotypowania topoli w próbnych ogrodach w Davis w Kalifornii. Wstępne badania przesiewowe nie wykazały od razu poszukiwanych genów. Okazało się jednak, że dalsza analiza molekularna jednego genu-kandydata Propagatorco wpływa na dwa geny, które według CABBI miały kluczowe znaczenie dla usprawnienia fotosyntezy.
Badania były wspierane przez CBI i CABBI, oba sponsorowane przez Program Badań Biologicznych i Środowiskowych Biura Naukowego DOE. W projekcie wykorzystano wiodące na świecie możliwości obrazowania o wysokiej przepustowości, jakie oferuje ORNL Laboratorium Zaawansowanego Fenotypowania Roślinco umożliwiło szybki, zautomatyzowany pomiar zmian wielkości liści u topoli wyrażających Propagator gen w środowisku szklarniowym. Sekwencjonowanie całego genomu i inne RNA analizy przeprowadził Joint Genome Institute, w skrócie JGI, placówka użytkownika DOE Office of Science w Lawrence Berkeley National Laboratory. W projekcie wykorzystano zasoby obliczeniowe o wysokiej wydajności Oak Ridge Leadership Computing Facility, obiektu użytkownika DOE Office of Science w ORNL.
Walidacja genów chimerycznych w biotechnologii roślin
„Konserwatywne geny chimeryczne, takie jak Propagator są często lekceważone jako niefunkcjonalne, ewolucyjne artefakty, które nie wpływają już na procesy roślinne” – powiedział Biruk Feyissa z ORNL, który kierował analizą molekularną genu i jest pierwszym autorem artykułu. „Ale tutaj udowodniliśmy coś zupełnie przeciwnego. Potwierdziła to nasza walidacja molekularna i fizjologiczna Propagator wzmacnia fotosyntezę, dzięki czemu rośliny radzą sobie lepiej w stałych i zmiennych warunkach oświetleniowych.
„Odkrycie otwiera nową drogę naukowego myślenia” – powiedział Tuskan. „Mamy tendencję do myślenia o fotosyntezie jako procesie trudnym do ulepszenia. W rzeczywistości jednak maszyneria molekularna otaczająca fotosyntezę nadal ewoluuje w miarę dostosowywania się roślin do środowiska. W tym przypadku wymiana DNA z powiązanymi organizmami zasadniczo zmieniła proces biologiczny.
Odniesienie: „Gen sierocy PROPAGATOR zwiększa wydajność fotosyntezy i produktywność roślin” Biruk A. Feyissa, Elsa M. de Becker, Coralie E. Salesse-Smith, Jin Zhang, Timothy B. Yates, Meng Xie, Kuntal De, Dhananjay Gotarkar, Margot SS Chen, Sara S. Jawdy, Dana L. Carper, Kerrie Barry, Jeremy Schmutz, David J. Weston, Paul E. Abraham, Chung-Jui Tsai, Jennifer L. Morrell-Falvey, Gail Taylor, Jin-Gui Chen, Gerald A. Tuskan, Stephen P. Long, Steven J. Burgess i Wellington Muchero, 3 grudnia 2024 r., Komórka Rozwojowa.
DOI: 10.1016/j.devcel.2024.11.002
Inni naukowcy biorący udział w projekcie to współprzewodniczący Steven Burgess z CABBI i Instytutu Biologii Genomicznej Carla R. Woese w Illinois; współprzewodniczący Jay Chen, lider grupy ORNL Plant Systems Biology; Jin Zhang, Timothy Yates, Kuntal De, Sara Jawdy, Dana Carper, David Weston, Paul Abraham i Jennifer Morrell-Falvey z CBI/ORNL; Elsa de Becker i Coralie Salesse-Smith z CABBI/Illinois; Margot SS Chen i Chung-Jui Tsai z CBI/Uniwersytetu Gruzji; Gail Taylor z CBI/Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis; Meng Xie z Narodowego Laboratorium w Brookhaven; Dhananjay Gotarkar z Uniwersytetu Missouri; Kerrie Barry z JGI/Lawrence Berkeley National Laboratory; oraz Jeremy Schmutz z JGI i HudsonAlpha. Artykuł poświęcony jest pamięci Wellingtona Muchero, współkierownika projektu i byłego naukowca i genetyka ORNL zajmującego się roślinami.
