Transcript und Metabolite Profiling für die Beurteilung von Tabakbaum und Pappel als Rohstoff für die Bio-basierte Industrie
Summary
Pflanzenbiomasse bietet eine erneuerbare Ressource für mehrere Produkte, einschließlich Kraftstoff, Futtermittel-, Lebensmittel-und einer Vielzahl von Materialien. In diesem Papier untersuchen wir die Eigenschaften von Tabakbaum (Nicotiana glauca) und Pappel als geeignete Quellen für eine Bioraffinerie-Pipeline.
Abstract
Die weltweite Nachfrage nach Lebensmitteln, Futtermitteln, Energie und Wasser stellt außergewöhnliche Herausforderungen für zukünftige Generationen. Es ist offensichtlich, dass stabile Plattformen für die Erforschung von erneuerbaren Ressourcen notwendig, um diese Herausforderungen zu meistern sind. Innerhalb der multinationalen Rahmen MultiBioPro entwickeln wir Bioraffinerie-Pipelines, um die Nutzung pflanzlicher Biomasse zu maximieren. Genauer gesagt, verwenden wir Pappelbaum und Tabak (Nicotiana glauca) als Zielkulturarten zur Verbesserung der Verzuckerung isoprenoiden, langkettigen Kohlenwasserstoff Inhalte, Faserqualität und Suberin und Lignin Inhalte. Die Ausgänge verwendet, um diese zu erhalten Methoden gehören GC-MS, LC-MS-und RNA-Sequenzierungsplattformen. Der Metabolit Pipelines gut etabliert Werkzeuge, um diese Arten von Daten zu erzeugen, sondern auch über die Grenzen daß nur gut charakterisiert Metaboliten verwendet werden. Die tiefe Sequenzierung wird uns erlauben, alle während der Entwicklungsstadien der Tabak Baum Blatt vorliegenden Abschriften, aber h sind, um zurück zu der Sequenz von Nicotiana tabacum abgebildet werden. Mit diesen Set-ups, zielen wir auf ein grundlegendes Verständnis für die zugrunde liegenden Prozesse und auf die Schaffung einer industriellen Rahmen, um die Ergebnisse zu nutzen. In einer langfristigen Perspektive, glauben wir, dass die Daten hier erzeugt wird, Mittel für eine nachhaltige Bioraffinerie-Verfahren unter Verwendung von Pappel-und Tabak Baum als Rohstoff zu liefern. Um das Basisniveau von Metaboliten in den Proben heute wurden analysiert und die verwendeten Protokolle sind in diesem Artikel bereitgestellt.
Introduction
Bevölkerungs-und Wirtschaftswachstum haben einen steigenden Bedarf an Nahrung, Wasser und Brennstoffe verursacht wird. Viele dieser Versorgung hergestellt, verarbeitet und transportiert Finite fossilen Mittel, wie Mineralöl. Es ist jedoch klar, dass diese Praxis nicht nachhaltig, und die Entwicklung von alternativen Ressourcen werden daher von großer Bedeutung 1 sein. Viele erneuerbare Ressourcen sind, in unterschiedlichem Maße, derzeit ausgenutzt, darunter Wind-, Wasser-Bewegung, Sonne, Erdwärme, Wellen-und Energieträger. Eine weitere nachhaltige und weitgehend ungenutzte Ressource ist die Biomasse aus Pflanzen. Diese Ressource bietet auch eine sehr kostengünstige Möglichkeit, Solarenergie in abgeleiteten Brennstoffe 2 konvertieren. Neben der biologisch basierten Kraftstoff bietet die pflanzliche Biomasse auch einzigartige Möglichkeiten für alternative Produkte, einschließlich Kunststoffe, Waschmittel, und wertvolle Chemikalien.
Die Pflanzenzellwand, die größtenteils aus Zucker basierten Polymeren, makES bis die Hauptmasse der Biomasse der Pflanze und viel Aufwand wird derzeit in der effizienten Umwandlung in Bioethanol investiert. Die restliche Biomasse kann anschließend in Biogas-und Öl 3 verwandte Produkte verarbeitet werden. Ein Großteil der mehrjährige Pflanzenarten, darunter Gräser und Bäume, die große Mengen von Zellulose-Biomasse erzeugen typischerweise wachsen am besten in den gemäßigten Zonen. Allerdings ist etwa 20% der Landfläche semi-ariden und ist daher auch anfällig für Dürren 4. Natürlich wäre es von Interesse sein, auch diese Trockengebiete pflegen mit Pflanzen, die effektiv auf die nachhaltige Produktion von Energie-und Material beitragen könnten. Diese Pflanzen brauchen, um eine optimale Effizienz der Wassernutzung und Trockenheitsresistenz und würde den Tabak-Baum (Nicotiana glauca) und Arten der Gattung Agave enthalten.
Die MultiBioPro Konsortium soll eine integrierte Bioraffinerie-Pipeline zu implementieren, mit dem zwei wichtige crop-Arten, Pappel-und Tabakbaum. Pappel als vielversprechender Biokraftstoff-Pflanze entstanden, wie es wächst schnell, einfach klonal vermehrt und sehr anpassungsfähig an einer breiten Palette von Klima-und Bodenbedingungen. Es bietet auch eine große Auswahl an Holz-, Faser-, Brennstoff Holz und andere Waldprodukte 5. Die Tabak Baum wurde auch als einer geeigneten Anlage für Biokraftstoffe und Bioraffinerie Zwecke. Es erzeugt in der Regel erhebliche Mengen von Biomasse, enthält hohe Mengen an nicht-strukturellen Kohlenhydrate 6, und hat auch die seltene Fähigkeit, große Mengen von leicht extrahierbaren Nonfood-Öle (einschließlich langen Kette C 29-C 31 gesättigten Kohlenwasserstoffen und Triterpene), die für Biodiesel geeignet sind akkumulieren Produktion. Die Tabakbaum ist darüber hinaus offen für die genetische Verbesserung, hat eine hohe Keimfähigkeit und wächst glücklich auf semi-ariden Böden nicht für die Lebensmittelproduktion verwendet. Es scheint daher, dass sowohl Pappel und Tabak Baum intrinsische Potential für multipWECK Kulturen, dh als neue, hochwertige Rohstoffe für eine integrative bio-basierten Industrie. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf vielfältige Reihe von Ansätzen zu erkennen, wie Tabak Baum Einlagen langkettigen Kohlenwasserstoffen.
In einem Versuch, die zugrunde liegenden molekularen Maschinen für die Produktion und Sekretion von den gesättigten langkettigen Kohlenwasserstoffen auf die Tabakblätter verantwortlich sind, wenden wir moderne "Omics"-Technologien basiert. Dies beinhaltet RNA seq einer Entwicklungs Blatt-Serie (zehn Stufen) und Multiplattform-Metabolite Profiling-Ansätze unter Verwendung LC und GC-MS (für polare und unpolare Metaboliten und Lipidomics). Diese Daten werden verwendet, um für die Genexpression, die mit korreliert oder vorausgeht, dem Beginn der Biosynthese der oben genannten Moleküle abbauen werden. Gene und Signalwege, die vielversprechend aus diesen Bemühungen erscheint für Funktionstests in der Modellpflanze Arabidopsis verwendet werden und könnte letztlich zugänglich für biotechnologische Technik in tob seinacco Baum.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier vorgestellten Protokolle bieten einen umfassenden Rahmen für Tabak Baumblätter für Metaboliten und Transkripte zu analysieren. Es ist vorgesehen, dass diese gemeinsamen Anstrengungen sollten uns neue Einblicke in die Prozesse der Synthese und Extrusion der Kohlenwasserstoffe und der in diesem Gewebe vorhandenen hohen Wert zugrunde liegenden Verbindungen bereitzustellen. Diese Ansätze sollten daher geben uns ein besseres Verständnis dafür, wie die Verbindungen werden synthetisiert. Neben den Tabak Baum Aspekte der Arbeit, ist es auch Ziel, Pappel Biomasse verbessern, vor allem Targeting Verholzung der Sekundärwandstruktur, sondern auch zu erforschen, ob wir die Rinde für die Extraktion von wertvollen Verbindungen zu verwenden.
Die in diesem Beitrag vorgestellten Methoden sind leichte Modifikationen von standardisierten Methoden zur Metabolit-Profiling. Diese Verfahren sind natürlich auf bekannte metabolische Profile beschränkt, und es ist möglich, dass mehrere neue metabolische Peaks für w erhalten werden,elche keine Verbindung bekannt ist. Wir hoffen, dass diese Verbindungen im Kontext zu anderen Metaboliten durch die Kombination das Verhalten von Metaboliten und Transkripte über den Entwicklungszeitreihen setzen.
Keine der hier vorgestellten Verfahren sind in der Regel deutlich von Pflanzenmaterialien eingesetzten Verfahren verändert. Der interessante Aspekt liegt in der Kombination von Methoden, um die zugrunde liegende Framework für hauptsächlich langkettige Kohlenwasserstoffproduktion und Veränderung in den Tabakbaumblätter zu verstehen. Einer der kritischen Schritte zum Erhalten dieser Informationen ist die nachfolgende Kombination der verschiedenen Datentypen. Wir sehen, dass die Daten als eine erste Bewertung werden verschiedene Cluster eingeteilt werden, basierend auf dem Verhalten der Metaboliten / Transkripte über die Entwicklung und dass diese Daten dazu verwendet werden, Transkript gegen Stoffwechselverhalten abzuleiten, und auf bestimmte Stoffwechselwege potentiell zuweisen . Darüber hinaus sind weitere aufwendige Netzwerk-basierten Analysen dann vorgesehen to nutzen kausale Zusammenhänge.
Die analytischen Protokolle hier vorgestellt wird auch eine Grundlage für die Feldversuche und industrielle Nutzung von Biomasse. Um dies zu erreichen, enthält die MultiBioPro Konsortium mehreren Industriepartnern, die die Fähigkeiten haben, weiter zu erforschen, die Biomasse, mit dem Ziel, Biodiesel, Bioethanol und andere hochwertige Verbindungen zu liefern. Diese Arten von Biomasse-Nutzung wird auf der Grundlage bewertet werden; (1) Prüfung der Robustheit und Qualität der Bio-Produkte hergestellt (typische Industriestandard-Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die erzeugten Produkte haben gute Marktwert werden), (2), eine wirtschaftliche, soziale und ökologische Bewertung der Technologien durchgeführt werden unter Verwendung von Literaturquellen, Interviews und Material, das während der Feldversuche und Pilotanlage Bioraffinerie Einschätzungen erzeugt wird. Diese Aktivitäten gehören Kosten-Nutzen-und Lebenszyklusanalyse, die Erstellung eines Umweltdossiers, Markt-und business-Strategien. Wir glauben, dass diese Pipeline wird eine nützliche Mischung aus Wissenschaft geworden, angewandte Wissenschaft und industrielle Nutzung, weitere Pappel-und Tabak-Baum-Biomasse für die Verbraucher End-Produkte.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MultiBioPro möchte den folgenden Personen, die auch zu dem Projekt beitragen bedanken: Dominic Swinton (Grün Fuels), Thomas Lowery (Grün Fuels), Sam Buekenhout (Capax) und 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
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