Novo recurso identifica o funcionamento interno das células vegetais do sorgo para projetar melhor matéria-prima de bioenergia
Esta imagem premiada de Brandon James, gerente de projeto no laboratório Swaminathan do HudsonAlpha Institute, mostra uma fatia fina de parte do ápice de um broto de Sorghum bicolor. As sondas fluorescentes mostram células no broto (núcleos marcados em azul) e a expressão de transcritos de RNA de um gene chamado KNAT1 (amarelo). Isto faz parte do trabalho do CABBI e dos seus parceiros para compreender melhor os diferentes tipos de células nos caules do sorgo e permitir a engenharia específica do tipo de célula para bioenergia e novos bioprodutos. Crédito:Centro de Inovação Avançada em Bioenergia e Bioprodutos (CABBI) O sorgo bioenergético é um recurso importante para a produção de biocombustíveis e bioprodutos e um componente crítico de um futuro agrícola sustentável. Os investigadores têm trabalhado arduamente para tornar esta planta alta e tolerante à seca ainda mais produtiva e resistente às duras condições ambientais. Mas esses esforços são dificultados pela falta de conhecimento sobre o funcionamento interno das células vegetais, o que impede os cientistas de fornecerem as instruções genéticas adequadas para modificar as suas características principais – incluindo a produção de petróleo.
Uma equipe liderada por pesquisadores do Centro de Inovação Avançada em Bioenergia e Bioprodutos (CABBI) - um Centro de Pesquisa em Bioenergia (BRC) do Departamento de Energia (DOE) - criou um novo recurso valioso que oferece uma compreensão mais profunda desta valiosa cultura de bioenergia e do possibilidade de projetar uma planta de sorgo mais resiliente no futuro.
O trabalho é uma colaboração entre o CABBI e o Centro de Pesquisa em Bioenergia dos Grandes Lagos (GLBRC), um colega do BRC; o Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia; e o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais (EMSL), uma instalação de usuário do DOE no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Os investigadores identificaram padrões de expressão genética nos principais tipos de células que compõem o tecido dos caules do sorgo – que representam 80% da biomassa total da planta – bem como potenciais promotores específicos do tipo de célula e redes genéticas reguladoras subjacentes.
O seu objectivo era desenvolver uma imagem de todos os padrões de expressão genética ao nível do tipo de célula única, o que é fundamental para a modificação desta planta através da engenharia genética – um processo que os cientistas utilizam para modificar um ou alguns genes-alvo para alterar as características da planta. O trabalho deles foi publicado no The Plant Journal .
"Este estudo nos permite decifrar as características fisiológicas e moleculares do caule do sorgo no nível do tipo celular, mas também ajuda outros cientistas com interesses diversos a identificar genes candidatos no desenvolvimento de um sorgo maior e mais resistente", disse o autor principal Jie Fu, Ph. .D. candidata do CABBI Co-PI Amy Marshall-Colon, Professora de Biologia Vegetal na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
Os pesquisadores adaptaram uma técnica pré-existente chamada microdissecção de captura a laser (LCM) para tecido do caule do sorgo com paredes celulares mais teimosas, onde usaram um laser ultravioleta (UV) como faca para isolar diferentes tipos de células. Juntamente com uma técnica de alto rendimento chamada sequenciação de RNA, que pode testar padrões de expressão de todos os genes de uma só vez, eles foram capazes de alcançar um atlas abrangente de padrões de expressão gênica no estágio inicial de crescimento vegetativo, descobrindo a expressão específica do tipo de célula. , caminhos e redes regulatórias subjacentes.
Este banco de dados de expressão gênica de alto rendimento pode servir como uma ferramenta básica para permitir que pesquisadores com interesses diversos em todos os BRCs explorem características moleculares e fisiológicas do caule do sorgo em um nível de tipo celular sem precedentes.
Os padrões de expressão descobertos neste estudo fornecem aos pesquisadores do sorgo a chance de projetar promotores específicos do tipo de célula que podem permitir a expressão gênica direcionada no local desejado, mantendo ao mínimo a interferência de outros tipos de células.
O trabalho apoia a abordagem "plantas como fábricas" do CABBI e o objetivo principal da sua pesquisa de Produção de Matéria-Prima - fornecer gramíneas resilientes e altamente produtivas que produzem grandes quantidades de lipídios e beneficiam outros BRCs que usam sorgo ou gramíneas semelhantes.
A longo prazo, o isolamento bem-sucedido do tipo celular usando microdissecção por captura a laser permitirá outros tipos de coleta de dados "ômicos" de caules de sorgo e contribuirá para um banco de dados multi-ômico valioso e abrangente para este modelo de espécie C4.
Sendo uma alternativa mais limpa aos produtos à base de petróleo, os biocombustíveis e bioquímicos produzidos a partir do sorgo e de outras culturas bioenergéticas podem ajudar a mitigar as alterações climáticas e garantir a segurança alimentar, ao não competirem com as culturas alimentares básicas pela terra e pela água.
O estudo irá acelerar os esforços para projetar uma melhor matéria-prima de sorgo bioenergético, fornecendo não apenas mais conhecimento do tecido do caule do sorgo no tipo de célula, mas também vários potenciais promotores específicos do tipo de célula para engenharia genética.
Por exemplo, um gargalo na produção de lípidos do sorgo é que o óleo não se acumula no seu tipo de célula mais abundante (medula), e grandes quantidades de lípidos acumulam-se numa fase inicial de crescimento, o que prejudica o crescimento da planta e resulta numa baixa biomassa.
A aplicação de promotores específicos do tipo de célula a montante dos genes críticos identificados no processo de produção de lipídios da planta pode direcionar o acúmulo de óleo em tipos de células desejáveis. E com a investigação em curso do laboratório sobre padrões reguladores temporais dos genes, isso também poderá levar à acumulação de lípidos numa fase de crescimento mais benéfica.
O estudo é o primeiro insight de alta resolução sobre a expressão genética em entrenós maduros – as seções do caule entre os nós onde as folhas crescem, disse CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan do Instituto HudsonAlpha. “Isso estabelece as bases para a engenharia de tipos específicos de células para produzir novos bioprodutos”, disse ela.
