All'interno del fitotrone, file di armadi bianchi industriali nascondono la vita prevista in una serra. Uno sguardo attraverso un oblò quadrato, però, rivela l'energia verde che cresce all'interno della camera luminosa. Questi specifici alberelli di pioppo potrebbero non sopravvivere alle difficoltà di siccità prolungate e ondate di calore, ma stanno aiutando un team di ricercatori a creare quelli che possono farlo.

sottolinea, come le alte temperature e la mancanza di acqua dolce, può causare una crescita ridotta del raccolto o addirittura una perdita completa. La crescente frequenza di questi periodi di stress ispira una corsa alla ricerca di piante più tolleranti. Ma i metodi tradizionali di coltivazione delle piante sono lenti, che richiedono tentativi ed errori su più generazioni. Ora, un gruppo collaborativo di ricercatori sta ridisegnando il pioppo, una coltura bioenergetica, in base al suo genoma specifico in pochi anni.

La crescente popolazione umana sta ponendo crescenti esigenze sull'uso di tutti i tipi di terreno. Affinché l'industria dei biocarburanti possa competere con i combustibili convenzionali, deve utilizzare le risorse del suolo, ma idealmente non richiedono le stesse terre premium utilizzate per coltivare il cibo. Se le colture di biocarburanti sono progettate per essere più tolleranti allo stress, possono mantenere un'elevata produzione di biomassa su terreni marginali, mantenendo l'industria competitiva.

L'anno scorso, l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia ha assegnato 5,5 milioni di dollari per migliorare la produzione di biomassa di pioppo al team multi-istituzionale dell'Università della California, Davis, Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale, e altre due università:University of Tennessee (UT) e West Virginia University (WVU). Il titolo del progetto è "SyPro Poplar:Improving Poplar Biomass Production under Abiotic Stress Conditions:An Integrated Omics, Bioinformatica, Biologia sintetica, e approccio all'ingegneria genetica."

Per il progetto quinquennale, il team sta "sviluppando alcuni pioppi con un approccio transgenico che tollerano più stress contemporaneamente, " dice il co-investigatore principale Amir H. Ahkami. Ahkami è un biologo molecolare vegetale con EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE al PNNL.

Combinazioni

Gli studi precedenti si sono concentrati su un solo stress abiotico:carenza idrica, temperatura elevata o salinità del suolo, alla volta, spiega Ahkami. In realtà, le piante possono soffrire contemporaneamente di una combinazione di stress. Così, trovare una soluzione specifica per il pioppo in queste circostanze è l'obiettivo del progetto.

Il trucco potrebbe essere lo sviluppo di una serie di promotori sintetici - i promotori controllano l'espressione genica - che attivano i geni tolleranti allo stress appropriati. Ma per arrivarci servirà una combinazione di approcci avanzati e nuove tecnologie.

"Stiamo riunendo biologi cellulari, biologi molecolari, fisiologi e un laboratorio nazionale in uno sforzo comune, " dice il biologo vegetale Eduardo Blumwald, il capo ricercatore principale e un illustre professore di biologia cellulare alla UC Davis. "Si tratta di un approccio multidisciplinare, e penso che questo sia l'elemento più importante".

Ahkami aggiunge, "E abbiamo riunito un ottimo gruppo di esperti per questo progetto".

La trasformazione delle piante richiede una sequenza di DNA che combini un promotore e un gene. Iniziare con piante che sono state poste in condizioni di stress aiuterà a identificare gli importanti geni e proteine ​​sensibili allo stress. Blumwald sta applicando stress test controllati alle piante di pioppo in una serra di ricerca presso l'UC Davis. I trattamenti comprendono la riduzione della disponibilità di acqua, abbassando la qualità dell'acqua e spegnendo il raffreddamento della serra.

In date specifiche durante i trattamenti, Blumwald preleva foglie e radici dai campioni di pioppo e li spedisce al PNNL per l'analisi omica cellulare e tissutale. La trascrittomica è lo studio dell'insieme completo di trascritti di RNA prodotti dal genoma di un organismo, mentre la proteomica è lo studio delle sue proteine. L'approccio omico specifico per tipo di cellula è unico e sarà informativo.

Utilizzando questo approccio multiomico, Ahkami può identificare i geni e le proteine ​​altamente differenziati in condizioni di stress, che sono espressi più o meno rispetto a quelli in condizioni normali. Quindi, utilizzando uno strumento di ingegneria genetica come Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats o CRISPR, può verificare la funzione di un gene di interesse.

Può quindi identificare i promotori che rispondono allo stress in base ai geni e alle proteine ​​​​indotti dallo stress e, in collaborazione con esperti di UT, utilizzare la bioinformatica per scoprire un particolare elemento normativo, o un motivo, che guida l'ingegnerizzazione di un promotore.

Progettazione-costruzione-test

Progettando i propri promotori sintetici, i ricercatori non si limitano ai soli promotori presenti in natura. Possono progettare quelli specifici per la specie e il tipo di cellula in modo da attivare i geni giusti solo quando necessario.

"Vogliamo interferire il meno possibile con lo sviluppo dell'albero, " dice Blumwald. "Se vogliamo esprimere un gene costitutivamente tutto il tempo, corriamo il rischio che il gene renda le piante un po' più piccole, Per esempio."

Lo paragona a una persona che va al supermercato. Se qualcuno va a fare la spesa mentre va al lavoro, poi lui o lei deve occuparsi di quel cibo in macchina o sull'autobus e al lavoro:è ingombrante, lui dice. Acquistando dopo il lavoro, quella persona riceve cibo solo quando il cibo è necessario. I tratti di resistenza allo stress dovrebbero essere espressi solo quando lo si desidera.

Utilizzando le conoscenze acquisite dagli omic e dalle librerie promotrici esistenti, i ricercatori progetteranno, costruire e testare una suite di potenziali promotori sintetici. Più di un centinaio di promotori saranno sottoposti a screening con protoplasti derivati ​​da foglie e radici di pioppo, cellule con pareti cellulari rimosse, utilizzando un sistema robotico nel ricercatore principale C. Neal Stewart, Il laboratorio di Jr. all'UT. Per sapere se un promotore sta lavorando, i ricercatori cercheranno una proteina fluorescente da illuminare, spiega Stewart, un professore di scienze vegetali, che si occupa di genetica vegetale.

"È una delle cose in cui ottieni molti fallimenti, ma tutto ciò di cui hai bisogno è uno o due colpi, "dice Stewart, "E poi è un successo."

Il team installerà i migliori promotori artificiali nelle piante di pioppo per guidare il gene di interesse. Quindi, i ricercatori valuteranno le piante transgeniche nella serra di ricerca.

Il progetto si conclude con uno studio sul campo, che lo distingue dalla maggior parte degli altri progetti. "È quasi sempre il caso che le prestazioni in campo siano diverse dalle prestazioni in serra, " afferma il co-investigatore principale Stephen DiFazio, un professore di genomica vegetale che supervisionerà le prove sul campo alla WVU.

Il campo espone le piante transgeniche ad altri stress, come il vento, gelo, insetti, e patogeni, non visto nell'ambiente della serra. Le prove sul campo potrebbero rivelare se l'alterazione dell'espressione di un gene nativo ha interrotto un altro sistema della pianta, spiega Di Fazio.

Progressi finora

Mancano ancora un paio d'anni allo studio sul campo, perché il progetto è ormai solo vicino alla fine del suo primo anno. Il progetto è impegnativo, dice Ahkami, ma è ottimista.

"I dati che abbiamo generato finora, in particolare per la proteomica, sono molto promettenti, ", afferma. "Gli identificatori proteici che abbiamo trovato in ogni tipo di cellula forniscono la prova del concetto per una tecnica che potrebbe essere ampiamente utilizzata per la fenotipizzazione molecolare delle foglie di pioppo e dei tessuti delle radici sotto stress a risoluzione a livello cellulare".

Ahkami e il resto del team di EMSL non sarebbero in questa fase senza la possibilità di integrare più funzionalità disponibili presso la struttura dell'utente, alcune delle quali non sono mai state combinate prima. Recentemente, EMSL ha annunciato una riorganizzazione e un riallineamento a nuove aree scientifiche, e la sua Area di Scienze Biologiche mira, tra gli altri focolai, migliorare le strategie per la progettazione di impianti per la produzione di biocarburanti, che è l'obiettivo del progetto SyPro Poplar.

Alcuni strumenti chiave e le competenze dell'EMSL consentono la nuova analisi specifica del tipo di cellula del progetto. Dai campioni di foglie e radici, i ricercatori possono mirare a specifici tipi di cellule per la raccolta utilizzando la microdissezione di cattura laser o LCM. Per esempio, una foglia ha cellule a palizzata e mesofilli spugnosi e tessuti vascolari, e una radice ha l'epidermide e le cellule della corteccia e i tessuti stellari. L'alta risoluzione del microscopio LCM di EMSL consente ai ricercatori di selezionare manualmente le cellule di un certo tipo. Il sistema taglierà le cellule desiderate e poi le catapulterà senza contatto in un dispositivo di raccolta.

Isolando la cellula o il tessuto per tipo, "stai arricchendo il tuo segnale, isolando una popolazione molto più specifica su cui puoi quindi fare le tue applicazioni e domande a valle, " dice Will Chrisler, L'esperto di LCM di PNNL. L'utilizzo di un campione di foglie o radici sfuse potrebbe facilmente seppellire il segnale.

Prima dell'analisi proteomica mediante spettrometria di massa, il team di ricerca deve preparare i campioni specifici per tipo di cellula raccolti da LCM. La tecnologia di nuova concezione chiamata nanoPOTS (nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples) gioca un ruolo chiave qui.

"Il collo di bottiglia con la proteomica era con l'elaborazione del campione, " dice il chimico analitico Ryan Kelly, uno degli sviluppatori di nanoPOTS, che mantiene un appuntamento congiunto con EMSL mentre è attualmente alla Brigham Young University. Richiedeva molte cellule, perché la maggior parte del campione è andata persa nel passaggio dalla materia prima a quella pronta per l'analisi. Le proteine ​​non possono essere amplificate come il DNA e l'RNA.

Ma ora nanoPOTS consente al team di misurare le proteine ​​in campioni che sono da 100 a 1000 volte più piccoli di quelli usati in precedenza, spiega Kelly.

La potenza di questi strumenti è parte di ciò che consente a un progetto di tale portata di compiere progressi così rapidi in soli cinque anni.

pioppo popolare

Altro fattore che velocizza il lavoro è il soggetto:il pioppo. Una caratteristica conveniente è la sua facilità nella propagazione vegetativa, secondo Di Fazio. Le talee poste nel terreno si radicheranno facilmente. La maggior parte degli alberi impiega cinque anni per fiorire, quindi aspettare i semi richiederebbe la lunghezza del progetto, lui spiega. Anziché, la propagazione vegetativa consente ai ricercatori di realizzare centinaia o addirittura migliaia di copie esatte dell'originale in un paio di mesi. Più, le copie mantengono i miglioramenti genetici a differenza dei semi che potrebbero perderli dall'incrocio con un'altra pianta madre.

Quella proprietà, insieme alla sua facilità di gestione in serre e ambienti di ricerca, rende il pioppo una pianta ben studiata. Le informazioni sul pioppo sono abbondanti, compresa la sua intera sequenza genomica. Dispone inoltre di un efficiente sistema di trasformazione, a differenza della maggior parte degli altri alberi.

Il pioppo è già ampiamente distribuito negli Stati Uniti e in Canada. Ma se la squadra ha successo, dice Ahkami, quindi i coltivatori possono espandere il pioppo in più aree e condizioni in cui attualmente non prosperano, rendere disponibile più biomassa.

DiFazio pensa alle regioni rurali, come le comunità carbonifere nel suo stato natale della Virginia Occidentale, che stanno perdendo le loro tradizionali fonti di reddito. "Quelle comunità avrebbero l'opportunità di avere un ruolo importante nell'economia energetica, se possiamo sviluppare colture che crescano sulle terre marginali che sono abbondanti in quelle parti del paese, " lui dice.

Uno di questi siti sono le miniere di superficie. "Si completa il ciclo, " lui dice.

Presto su terreni industriali, fila dopo fila di energia verde potrebbe sbirciare attraverso.