Transcript en Metabolite Profiling voor de Evaluatie van de Boom en Poplar Tabak als grondstof voor de bio-gebaseerde industrie
Summary
Plantaardige biomassa biedt een hernieuwbare grondstof voor meerdere producten, waaronder brandstof, diervoeders, levensmiddelen en een verscheidenheid aan materialen. In deze paper onderzoeken we de eigenschappen van de boom tabak (Nicotiana glauca) en populier als geschikte bronnen voor een bioraffinage pijplijn.
Abstract
De wereldwijde vraag naar voedsel, veevoer, energie en water vormt buitengewone uitdagingen voor de toekomstige generaties. Het is duidelijk dat robuuste platforms voor de exploratie van hernieuwbare hulpbronnen die nodig zijn om deze uitdagingen te overwinnen zijn. Binnen het multinationale kader MultiBioPro wij ontwikkelen bioraffinage pijpleidingen naar het gebruik van plantaardige biomassa maximaliseren. Meer in het bijzonder, maken we gebruik van populier en boom tabak (Nicotiana glauca) als doelwit gewas voor het verbeteren van versuikering, isoprenoide, lange inhoud keten koolwaterstof, vezels kwaliteit en suberine en lignine inhoud. De methoden die worden gebruikt om deze uitgangen te bereiken onder andere GC-MS, LC-MS en RNA sequencing platforms. De metaboliet leidingen zijn goed ingeburgerd tools waarmee dit soort gegevens te genereren, maar ook de beperkingen die alleen goed gekarakteriseerd metabolieten worden gebruikt. De diepe sequencing zal ons toelaten om alle transcripten aanwezig tijdens de ontwikkelingsstadia van de boom tabaksbladeren, maar h bevattenzo worden toegewezen naar de sequentie van Nicotiana tabacum. Met deze set-ups, richten we ons op een fundamenteel begrip van de onderliggende processen en bij de oprichting van een industrieel kader om de resultaten te exploiteren. In een meer lange termijn, zijn wij van mening dat de gegevens die hier gegenereerd middelen zal zorgen voor een duurzame bioraffinage proces met behulp van populier en tabak boom als grondstof. Om de basale niveau van metabolieten dateren in de monsters zijn geanalyseerd en de protocollen gebruikt worden in dit artikel.
Introduction
Bevolking en de economische groei hebben een toenemende vraag naar voedsel, water en brandstoffen veroorzaakt. Een groot deel van deze voorraden worden geproduceerd, verwerkt en vervoerd met behulp van eindige fossiele middelen, zoals aardolie. Het is echter duidelijk dat deze praktijk is niet duurzaam, en de ontwikkeling van alternatieve middelen zal daarom van groot belang 1. Veel hernieuwbare bronnen zijn, in verschillende mate, momenteel wordt uitgebuit, waaronder wind, water beweging, zon, aardwarmte, en golf gebaseerd energiebronnen. Een ander duurzaam en grotendeels onontgonnen bron is de biomassa van planten. Deze bron biedt ook een zeer kosteneffectieve manier om zonne-energie omzetten in afgeleide brandstoffen 2. Naast het bieden van bio-gebaseerde brandstof, de plantaardige biomassa biedt ook unieke mogelijkheden voor alternatieve producten, zoals plastics, wasmiddelen, en waardevolle chemicaliën.
De celwand plant, die grotendeels uit suiker gebaseerde polymeren, MAKes het grootste deel van de biomassa van de plant en veel inspanning wordt momenteel geïnvesteerd in de efficiënte omzetting naar bio-ethanol. De resterende biomassa kan vervolgens worden verwerkt tot biogas en olie-gerelateerde producten 3. Een groot deel van de overblijvende plant soorten, waaronder grassen en bomen, die grote hoeveelheden van cellulosehoudende biomassa te produceren meestal groeien het best in de gematigde zones. Echter, ongeveer 20% van het landoppervlak is semi-aride, en is daarom ook gevoelig voor droogte 4. Uiteraard, zou het interessant zijn om ook cultiveren deze droge gronden met planten die effectief kunnen bijdragen aan de duurzame productie van energie en materiaal. Deze planten moeten een optimale efficiëntie van watergebruik en droogte weerstand hebben en zou de boom tabak (Nicotiana glauca) en soorten uit het geslacht Agave bevatten.
De MultiBioPro consortium streeft naar een geïntegreerde bioraffinage pijplijn uit te voeren, met behulp van de twee belangrijke crop soorten, populier en boom tabak. Populier heeft ontpopt als een veelbelovende biobrandstof gewas als het groeit snel, gemakkelijk klonaal gepropageerd en zeer aanpasbaar aan een breed scala van klimaat en de bodemgesteldheid. Het biedt ook een breed scala van hout, vezels, brandstof hout en andere bosproducten 5. De boom tabak is ook naar voren gekomen als een geschikte plant voor biobrandstoffen en bioraffinage doeleinden. Het produceert kenmerkend aanzienlijke hoeveelheden biomassa, bevat grote hoeveelheden niet-structurele koolhydraten 6, en heeft ook de zeldzame mogelijkheid om grote hoeveelheden van gemakkelijk extraheerbare eetbare olie (lange keten C 29-C 31 verzadigde koolwaterstoffen en triterpenoïden) die geschikt zijn voor biodiesel accumuleren productie. De boom tabak is bovendien vatbaar voor genetische verbetering, heeft een hoge capaciteit kiemen, en groeit gelukkig op semi-aride gronden niet voor de voedselproductie. Het blijkt dan ook dat zowel de populier en de boom tabak intrinsieke potentieel voor multipOEL gewassen, dwz als nieuwe hoogwaardige grondstoffen voor een integratieve biogebaseerde industrie. In dit artikel richten we ons op diverse reeks benaderingen onderscheiden hoe tabak boom deposito lange keten koolwaterstoffen.
In een poging om de onderliggende moleculaire mechanisme verantwoordelijk voor de productie en secretie van de verzadigde lange-keten koolwaterstoffen voor tabaksbladeren identificeren we moderne "omica" gebaseerde technologieën toepassen. Dit omvat RNA volgende van een ontwikkelingsstoornis bladreeks (tien etappes), en multiplatform metaboliet profilering benadert via LC-en GC-MS (voor polaire en niet-polaire metabolieten en lipidomics). Deze gegevens worden gebruikt om delven genexpressie die correleert met of vooraf gaat, treedt de biosynthese van de bovengenoemde moleculen. Genen en wegen die veelbelovend uit deze inspanningen lijken zullen worden gebruikt voor functionele testen in het model soort Arabidopsis en kon uiteindelijk vatbaar voor biotechnologische techniek in tob zijnAcco boom.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier gepresenteerde protocollen voorzien in een breed kader aan tabak boombladeren analyseren voor metabolieten en transcripties. Het is de bedoeling dat deze gecombineerde inspanningen moet ons voorzien van nieuwe inzichten in de processen die ten grondslag liggen aan de synthese en extrusie van de koolwaterstoffen en de hoge waarde die aanwezig zijn in dit weefsel. Deze benaderingen moeten daarom geven ons een beter begrip voor de manier waarop de stoffen worden gesynthetiseerd. Naast de tabak boom aspecten van de werkzaamheden wordt ook gericht op verbetering populier biomassa, vooral gericht lignification van de secundaire wandstructuur, maar ook om te bepalen of we de schors kunnen gebruiken voor de winning van waardevolle verbindingen.
De informatie in dit document methoden zijn lichte wijzigingen van gestandaardiseerde methoden voor metaboliet profilering. Deze methoden zijn uiteraard beperkt tot bekende metabolische profielen, en het is mogelijk dat verschillende nieuwe metabole pieken worden verkregen which geen verbinding bekend. We hopen deze stoffen in de context van andere metabolieten zetten door het combineren van het gedrag van metabolieten en transcripties over de ontwikkeling tijdreeksen.
Geen van de hier gepresenteerde methoden zijn aanzienlijk veranderd van methoden doorgaans gebruikt voor plantaardige materialen. Het interessante aspect ligt in de combinatie van methoden om de onderliggende kader voornamelijk lange keten koolwaterstof wijziging van de tabak boombladeren begrijpen. Een van de kritische stappen voor het verkrijgen van deze informatie is de volgende combinatie van de verschillende gegevens. Wij voorzien dat de gegevens als een eerste evaluatie worden verdeeld in verschillende clusters gebaseerd op het gedrag van de metabolieten / transcripten via ontwikkeling en dat deze gegevens worden gebruikt om transcriptie afgeleid vs metaboliet gedrag, alsmede bepaalde metabolieten die toewijzen trajecten . Daarnaast worden meer uitgebreid netwerk gebaseerde analyses dan beoogd to exploiteren causale verbanden.
De analytische protocollen hier gepresenteerde zal ook een basis voor veld-proeven en industriële exploitatie van de biomassa. Om dit te bereiken, de MultiBioPro consortium bevat een aantal industriële partners, die de mogelijkheden hebben om verder onderzoeken van de biomassa, met het doel om biodiesel, bio-ethanol en andere hoogwaardige verbindingen te leveren. Deze vormen van uitbuiting biomassa zal worden beoordeeld op basis van; (1) het testen van de robuustheid en de kwaliteit van de biologische producten die zijn geproduceerd (typisch industriële standaard tests zullen worden uitgevoerd om de gegenereerde producten hebben een goede marktwaarde), (2), een economische, sociale en ecologische evaluatie van de technologie zal worden uitgevoerd met behulp van literatuur bronnen, interviews en materiaal dat wordt gegenereerd tijdens veldproeven en proeffabriek bioraffinage assessments. Deze activiteiten omvatten kostenvoordeel en analyse van de levenscyclus, het genereren van een milieu-dossier en de markt en Business strategieën. Wij geloven dat deze leiding een handige mix van de academische wereld zal worden, toegepaste wetenschap en industriële exploitatie verder populier en tabak boom biomassa voor consumenten eindproducten.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MultiBioPro wil graag de volgende mensen die ook bijdragen aan het project bedanken: Dominic Swinton (Green Fuels), Thomas Lowery (Green Fuels), Sam Buekenhout (Capax) en Sylvia 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).
