نص والمستقلب التنميط لتقييم شجرة التبغ والحور كمادة وسيطة لصناعة القائمة على الحيوية
Summary
تقدم الكتلة الحيوية النباتية مورد متجدد للمنتجات متعددة، بما في ذلك الوقود والأعلاف والمواد الغذائية ومجموعة متنوعة من المواد. في هذه الورقة نحن التحقيق في خصائص شجرة التبغ (النيكوتين glauca) والحور المصادر المناسبة كما لخط أنابيب معامل تكرير أحيائية.
Abstract
الطلب العالمي على الغذاء والأعلاف والطاقة والمياه تطرح تحديات غير عادية للأجيال القادمة. فمن الواضح أن منصات قوية لاستكشاف الموارد المتجددة ضرورية للتغلب على هذه التحديات. في إطار المتعددة الجنسيات MultiBioPro نحن نعمل على تطوير خطوط الأنابيب معامل تكرير أحيائية لتحقيق الاستفادة القصوى من الكتلة الحيوية النباتية. وبشكل أكثر تحديدا، ونحن نستخدم الحور وشجرة التبغ (النيكوتين glauca) كأنواع المحاصيل المستهدفة لتحسين تسكر، isoprenoid، محتويات سلسلة طويلة الهيدروكربونية، ونوعية الألياف، وسوبيرين واللجنين المحتويات. الطرق المستخدمة للحصول على هذه النتائج تشمل GC-MS، LC-MS ومنصات تسلسل الحمض النووي الريبي. يتم إنشاء خطوط أنابيب الأيض بشكل جيد أدوات لتوليد هذه الأنواع من البيانات، ولكن أيضا لديها قيود في هذا الأيض فقط تتميز كذلك يمكن استخدامها. فإن التسلسل العميق تسمح لنا ليشمل جميع النصوص الحالية خلال المراحل التنموية للأوراق شجرة التبغ، ولكن حكما ليتم تعيينها إلى تسلسل نيكوتيانا تبغ. مع هذه المنبثقة مجموعة، ونحن نهدف إلى فهم أساسي للعمليات الأساسية وعلى إنشاء إطار الصناعية لاستغلال النتائج. في منظور أكثر على المدى الطويل، ونحن نعتقد أن البيانات التي تم إنشاؤها هنا سوف توفر وسيلة لعملية معامل تكرير أحيائية المستدامة باستخدام شجرة الحور والتبغ كمادة خام. حتى الآن على المستوى القاعدي من نواتج الأيض في عينات تم تحليلها ويتم توفير البروتوكولات المستخدمة في هذه المقالة.
Introduction
تسببت السكان والنمو الاقتصادي والطلب المتزايد على الغذاء والماء والوقود. ويتم إنتاج الكثير من هذه الإمدادات ومعالجتها ونقلها باستخدام وسائل محدودة على أساس الأحفوري، مثل النفط. هو عليه، ومع ذلك، من الواضح أن هذه الممارسة ليست مستدامة، وبالتالي فإن تطوير موارد بديلة تكون ذات أهمية كبيرة 1. العديد من الموارد المتجددة، بدرجات متفاوتة، ويجري استغلالها حاليا، بما في ذلك الرياح وحركة المياه، والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، وموجة مصادر الطاقة القائمة. المستدامة للموارد غير مستغلة إلى حد كبير وآخر هو الكتلة الحيوية من النباتات. كما يقدم هذا المورد على طريقة فعالة من حيث التكلفة للغاية لتحويل الطاقة الشمسية إلى وقود مشتق 2. وبصرف النظر عن تقديم الوقود الحيوي القائم، والكتلة الحيوية النباتية كما يقدم فرصا فريدة للمنتجات البديلة، بما في ذلك المواد البلاستيكية والمنظفات، والمواد الكيميائية ذات قيمة.
جدار الخلية النباتية، والتي تتألف في معظمها من البوليمرات السكر مقرها، ماكوفاق يصل الجزء الأكبر من الكتلة الحيوية للنبات، ويجري حاليا استثمرت الكثير من الجهد في تحويل كفاءة لها في الإيثانول. قد احقا معالجة الكتلة الحيوية المتبقية في الغاز الحيوي والمنتجات النفطية ذات الصلة 3. الكثير من الأنواع النباتية المعمرة، بما في ذلك الأعشاب والأشجار، والتي تنتج كميات كبيرة من الكتلة الحيوية السليلوزية عادة تنمو أفضل في المناطق المعتدلة. ومع ذلك، ما يقرب من 20٪ من مساحة الأراضي شبه القاحلة، وبالتالي فهي عرضة لموجات الجفاف 4 أيضا. من الواضح، أنه سيكون من مصلحة لزراعة هذه الأراضي القاحلة أيضا مع النباتات التي يمكن أن تسهم بشكل فعال في الإنتاج المستدام للطاقة والمواد. هذه النباتات تحتاج إلى أن يكون هناك الأمثل كفاءة استخدام المياه ومقاومة الجفاف وستشمل شجرة التبغ (النيكوتين glauca) والأنواع من جنس الصبار.
يهدف الكونسورتيوم MultiBioPro لتنفيذ خط أنابيب معامل تكرير أحيائية المتكاملة، وذلك باستخدام اثنين من كر هامةأنواع الذكر، وشجرة الحور التبغ. وقد برزت الحور كمحصول الوقود الحيوي واعدة لأنها تنمو بسرعة وسهولة نشر clonally وقابلة للتكيف للغاية لمجموعة واسعة من الظروف المناخية والتربة. كما يوفر مجموعة واسعة من الخشب والألياف والخشب الوقود، ومنتجات الغابات الأخرى 5. وقد برزت أيضا شجرة التبغ باعتبارها محطة مناسبة لأغراض الوقود الحيوي ومعامل تكرير أحيائية. وتنتج عادة كميات كبيرة من الكتلة الحيوية، ويحتوي على كميات عالية من الكربوهيدرات ابنيوي 6، وأيضا لديه القدرة النادرة لتراكم كميات كبيرة من الزيوت غير غذائية استخراجها بسهولة (بما في ذلك سلسلة طويلة C 29-C 31 الهيدروكربونات المشبعة واستخلص) التي هي مناسبة لانتاج الديزل الحيوي الإنتاج. شجرة التبغ، علاوة على ذلك، قابلة للتحسين الوراثي، لديه قدرة عالية تنتشر، وينمو في التربة بسعادة شبه القاحلة لا تستخدم لإنتاج الغذاء. وبالتالي يبدو أن كلا من الحور وشجرة التبغ لديها القدرة الذاتية للmultipالمحاصيل urpose، أي كمادة وسيطة جديدة ذات قيمة عالية لصناعة الحيوي القائم تكاملية. في هذه الورقة ونحن نركز على مجموعة متنوعة من النهج لتمييز سلسلة الهيدروكربونات كيف الودائع شجرة التبغ طويلة.
في محاولة لتحديد الآليات الجزيئية الكامنة المسؤولة عن إنتاج وإفراز المواد الهيدروكربونية المشبعة طويلة السلسلة على أوراق التبغ، ونحن نطبق "OMICS" الحديثة التكنولوجيات القائمة. وهذا يشمل يليها RNA من سلسلة أوراق التنموية (عشرة مراحل)، ونهج التنميط المستقلب المتعدد باستخدام LC-GC-MS و(لنواتج الأيض وlipidomics القطبية وغير القطبية). وسوف تستخدم هذه البيانات لإزالة الألغام للتعبير الجين الذي يرتبط، أو تسبق، بداية من الحيوي للجزيئات هو مبين أعلاه. وسيتم استخدام الجينات والممرات التي تبدو واعدة من هذه المساعي لاختبار وظيفي في نبات الأرابيدوبسيس الأنواع النموذجية ويمكن أن يكون في نهاية المطاف قابلة للهندسة التكنولوجيا الحيوية في طوبشجرة ACCO.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكولات المعروضة هنا توفر إطارا شاملا لتحليل أوراق شجرة التبغ لنواتج الأيض والنصوص. ومن المتوقع أن هذه الجهود مجتمعة أن تقدم لنا رؤى جديدة في العمليات التي يستند إليها التوليف وقذف من الهيدروكربونات والمركبات عالية القيمة موجودة في هذا النسيج. لذا ينبغي لهذه النهج تعطينا فهما أفضل لكيفية يتم توليفها المركبات. بالإضافة إلى الجوانب شجرة التبغ من العمل، ويهدف أيضا إلى تحسين الكتلة الحيوية الحور، وخاصة استهداف lignification هيكل الجدار الثانوي، ولكن أيضا لاستكشاف ما إذا كنا نستطيع استخدام لحاء لاستخراج المركبات قيمة.
الطرق الواردة في هذه الورقة هي تعديلات طفيفة من أساليب موحدة لالتنميط المستقلب. هذه الأساليب هي محدودة بطبيعة الحال لمحات التمثيل الغذائي المعروفة، وأنه من الممكن أن عدة قمم جديدة الأيضية يمكن الحصول على لثhich لا يعرف المجمع. نأمل أن وضع هذه المركبات في السياق إلى نواتج أخرى من خلال الجمع بين سلوك الأيض والنصوص على مدى سلسلة زمنية التنموية.
أيا من الأساليب المعروضة هنا يتم تغيير ملحوظ من الطرق التي تستخدم عادة لمواد النبات. الجانب المثير يكمن في مزيج من الأساليب لفهم الإطار الأساسي لإنتاج سلسلة طويلة الهيدروكربونية أساسا والتعديل في أوراق شجرة التبغ. واحدة من الخطوات الحاسمة للحصول على هذه المعلومات هي مزيج لاحقة من أنواع بيانات مختلفة. نحن نتصور أنه سيتم تقسيم البيانات على التقييم الأول إلى مجموعات مختلفة على أساس سلوك الأيض / النصوص على التنمية والتي سيتم استخدامها هذه البيانات للاستدلال نص مقابل السلوكيات الأيض، وأيضا يحتمل أن تكون لتعيين بعض نواتج الأيض لمسارات . بالإضافة إلى ذلك، يتم التحليلات المستندة إلى شبكة أكثر تفصيلا ثم تصور رس استغلال العلاقات السببية.
سوف البروتوكولات التحليلية المقدمة هنا أيضا توفير أساس للالتجارب الميدانية والاستغلال الصناعي من الكتلة الحيوية. لإنجاز هذا، وكونسورتيوم MultiBioPro يحتوي على العديد من الشركاء الصناعيين التي لديها القدرة على مواصلة استكشاف الكتلة الحيوية، وذلك بهدف توفير وقود الديزل الحيوي، الإيثانول والمركبات عالية القيمة الأخرى. وسيتم تقييم هذه الأنواع من استغلال الكتلة الحيوية على أساس؛ (1) اختبار متانة وجودة المنتجات الحيوية المنتجة (سيتم تنفيذ اختبارات نموذجية معيار الصناعة خارج لضمان المنتجات المولدة لها قيمة جيدة في السوق)، (2)، سيتم تنفيذ تقييم الاقتصادية والاجتماعية والبيئية للتكنولوجيات باستخدام مصادر الأدب والمقابلات والمواد التي يتم إنشاؤها أثناء التجارب الميدانية وتقييم معامل تكرير أحيائية محطة تجريبية. وسوف تشمل هذه الأنشطة التكاليف والفوائد وتحليل دورة الحياة، وجيل من ملف البيئة والسوق وفي busineاستراتيجيات ق ق. ونحن نعتقد أن هذا الخط سوف تصبح مزيجا مفيدا من الأوساط الأكاديمية، والعلوم التطبيقية والاستغلال الصناعي للمزيد من الحور والتبغ الكتلة الحيوية شجرة للمنتجات المستهلك النهائي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
سوف MultiBioPro أود أن أشكر الشعب التالية التي تساهم أيضا في المشروع: دومينيك سوينتون (الوقود الأخضر)، وتوماس لوري (الوقود الأخضر)، وسام Buekenhout (Capax)، وسيلفيا Drouven (Capax).
Materials
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Trizol reagent | Invitrogen | 15596-026 | |
| Chloroform | Merck | 102445 | |
| Ethanol | Merck | 101986 | |
| Rneasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | |
| TURBO Dnase | Invitrogen | AM2238 | |
| RNA 6000 Nano Kit | Agilent | G2938-90034 | |
| 2100 Electrophoresis Bioanalyzer | Agilent | G2939AA | |
| 1.5 ml and 2 ml safe-lock tubes | Eppendorf | 0030 120.086, 0030 120.094 | |
| Steel balls | Geyer Berlin GmbH | VA2mm | |
| Mixer mill MM 300 | Retsch | YO-04182-09 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 |
References
- Clark, J. H., et al. chemistry, biofuels, and biorefinery. Annu Rev Chem Biomol Eng. 3, 183-207 (2012).
- Carroll, A., Somerville, C. Cellulosic biofuels. Annu Rev Plant Biol. 60, 165-182 (1146).
- Vanholme, B., et al. Towards a carbon-negative sustainable bio-economy. Front Plant Sci. 4, (2013).
- . United Nations Environment Programme (UNEP). Global Environment Outlook: Environment for Development. 4, (2007).
- Boerjan, W. Biotechnology and the domestication of forest trees. Curr Opin Biotechnol. 16 (2), 159-166 (2005).
- Curt, M. D., Fernández, J. Production of Nicotiana glauca R.C. Graham aerial biomass in relation to irrigation regime. Biomass. 23 (2), 103-115 (1990).
- De Vos, R. C. H., et al. Untargeted large-scale plant metabolomics using liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Nat Protoc. 2 (4), 778-791 (2007).
- Smith, C. A., et al. XCMS: Processing mass spectrometry data for metabolite profiling using Nonlinear peak alignment, matching, and identification. Anal Chem. 78 (3), 779-787 (2006).
- Morreel, K., et al. Mass spectrometry-based fragmentation as an identification tool in lignomics. Anal Chem. 82 (19), 8095-8105 (2010).
- Morreel, K., et al. Mass spectrometry-based sequencing of lignin oligomers. Plant Physiol. 153 (4), 1464-1478 (1104).
- Tohge, T., Fernie, A. R. Web-based resources for mass-spectrometry-based metabolomics: A user’s guide. Phytochemistry. 70 (4), 450-456 (2009).
- Tohge, T., Fernie, A. R. Combining genetic diversity, informatics and metabolomics to facilitate annotation of plant gene function. Nat Protoc. 5 (6), 1210-1227 (2010).
- Mortimer, C. L., et al. The identification and rapid extraction of hydrocarbons from Nicotiana glauca: a potential advanced renewable biofuel source. Phytochem Lett. 5 (3), 455-458 (2012).
- Fraser, P. D., et al. Application of high-performance liquid chromatography with photodiode array detection to the metabolic profiling of plant isoprenoids. Plant J. 24 (4), 551-558 (2000).
- Lisec, J., et al. Gas chromatography mass spectrometry-based metabolite profiling in plants. Nat Protoc. 1 (1), 387-396 (2006).
