Un team guidato da ricercatori del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centro di ricerca sulla bioenergia (BRC) del Dipartimento dell’Energia (DOE), ha creato una nuova preziosa risorsa che offre una comprensione più profonda di questa preziosa coltura bioenergetica e delle sue potenzialità. possibilità di progettare in futuro una pianta di sorgo più resiliente.

Il lavoro è una collaborazione tra CABBI e il Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), un collega BRC; l'HudsonAlpha Institute for Biotechnology; e l'Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), una struttura per utenti DOE presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

I ricercatori hanno identificato modelli di espressione genetica nei principali tipi di cellule che compongono il tessuto degli steli di sorgo, che rappresentano l'80% della biomassa totale della pianta, nonché potenziali promotori specifici del tipo di cellula e reti di geni regolatori sottostanti.

Il loro scopo era quello di sviluppare un quadro di tutti i modelli di espressione genetica a livello di singolo tipo cellulare, che è fondamentale per la modifica di questa pianta attraverso l'ingegneria genetica, un processo utilizzato dagli scienziati per modificare uno o più geni bersaglio per cambiare i tratti della pianta. Il loro lavoro è stato pubblicato su The Plant Journal .

"Questo studio ci consente di decifrare le caratteristiche fisiologiche e molecolari dello stelo del sorgo a livello di tipo cellulare, ma aiuta anche altri scienziati con interessi diversi a individuare i geni candidati allo sviluppo di un sorgo più grande e più resistente", ha affermato l'autore principale Jie Fu, PhD .D. candidata con la Co-PI di CABBI Amy Marshall-Colon, Professore di Biologia Vegetale presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.

I ricercatori hanno adattato una tecnica preesistente chiamata microdissezione con cattura laser (LCM) per il tessuto staminale del sorgo con pareti cellulari più ostinate, utilizzando un laser ultravioletto (UV) come un coltello per isolare diversi tipi di cellule. Insieme a una tecnica ad alto rendimento chiamata sequenziamento dell'RNA, che può testare i modelli di espressione di tutti i geni contemporaneamente, sono stati in grado di ottenere un atlante completo dei modelli di espressione genetica nella fase iniziale di crescita vegetativa, scoprendo l'espressione specifica del tipo di cellula , percorsi e reti normative sottostanti.

Questo database di espressione genica ad alto rendimento può fungere da strumento di base per consentire ai ricercatori con interessi diversi nei BRC di esplorare i tratti molecolari e fisiologici dello stelo del sorgo a un livello di tipo cellulare senza precedenti.

I modelli di espressione scoperti in questo studio offrono ai ricercatori del sorgo la possibilità di progettare promotori specifici del tipo di cellula che possono consentire l'espressione genica mirata nella posizione desiderata, mantenendo al minimo l'interferenza di altri tipi di cellule.

Il lavoro supporta l'approccio "piante come fabbriche" di CABBI e l'obiettivo principale della sua ricerca sulla produzione di materie prime:fornire erbe resilienti e altamente produttive che producono grandi quantità di lipidi e avvantaggiano altri BRC che utilizzano sorgo o erbe simili.

A lungo termine, il successo dell'isolamento del tipo cellulare mediante microdissezione con cattura laser consentirà altri tipi di raccolta di dati "omici" dagli steli di sorgo e contribuirà a un database multi-omico prezioso e completo per questa specie modello C4.

Essendo un'alternativa più pulita ai prodotti a base di petrolio, i biocarburanti e i prodotti biochimici ricavati dal sorgo e da altre colture bioenergetiche possono contribuire a mitigare il cambiamento climatico e garantire la sicurezza alimentare non entrando in competizione con le colture alimentari di base per la terra e l'acqua.

Lo studio accelererà gli sforzi per progettare una migliore materia prima bioenergetica per il sorgo, fornendo non solo una maggiore conoscenza del tessuto staminale del sorgo a livello di tipo cellulare, ma anche diversi potenziali promotori specifici del tipo cellulare per l'ingegneria genetica.

Ad esempio, un collo di bottiglia nella produzione di lipidi del sorgo è che l'olio non si accumula nel suo tipo di cellula più abbondante (midollo) e quantità elevate di lipidi si accumulano in una fase iniziale di crescita, il che compromette la crescita delle piante e si traduce in una bassa biomassa.

L'applicazione di promotori specifici del tipo di cellula a monte dei geni critici identificati nel processo di produzione dei lipidi della pianta può dirigere l'accumulo di olio nei tipi di cellule desiderabili. E con la ricerca in corso in laboratorio sui modelli di regolazione temporale dei geni, ciò potrebbe eventualmente portare all'accumulo di lipidi anche in una fase di crescita più vantaggiosa.

Lo studio rappresenta il primo studio ad alta risoluzione sull'espressione genetica negli internodi maturi, ovvero le sezioni dello stelo tra i nodi dove crescono le foglie, ha affermato Kankshita Swaminathan, Co-PI del CABBI, dell'HudsonAlpha Institute. "Getta le basi per la progettazione di tipi cellulari specifici per la produzione di nuovi bioprodotti", ha affermato.