Стенограмма и метаболитов профилирования по оценке табака Дерево и тополя в качестве сырья для био-основанной промышленности
Summary
Биомасса растений предлагает возобновляемых ресурсов для нескольких продуктов, в том числе топлива, кормов, продуктов питания и различных материалов. В этой статье мы исследуем свойства табака дерева (Nicotiana Glauca) и тополя в качестве подходящих источников для Biorefinery трубопровода.
Abstract
Мировой спрос на продовольствие, корма, энергии и воды создает огромные трудности для будущих поколений. Очевидно, что надежные платформы для освоения возобновляемых ресурсов необходимы для решения этих проблем. В многонациональной рамочной MultiBioPro мы разрабатываем Biorefinery трубопроводов для максимального использования растительной биомассы. В частности, мы используем тополь и табака дерево (Nicotiana Glauca) как целевых видов сельскохозяйственных культур для повышения осахаривания, изопреноидных, длинные содержимое цепи углеводородов, качество волокна и суберина и лигнина содержимое. Методы, используемые для получения этих результатов, включают ГХ-МС, ЖХ-МС и РНК платформы секвенирования. Метаболита трубопроводы хорошо известны инструменты для создания этих типов данных, но также имеют ограничения в том, что только хорошо характеризующихся метаболитов могут быть использованы. Глубокий секвенирование позволит нам включить все стенограммы, присутствующие во время стадии развития табачной лист дерева, но чкак быть отображены обратно в последовательности Nicotiana аЬасит. С помощью этих установок, мы нацелены на базовое понимание для основных процессов и на создание промышленной базы для использования результатов. В более долгосрочной перспективе, мы считаем, что данные, полученные здесь будет предоставлять средства для устойчивого процесса Biorefinery использованием тополя и табака дерево в качестве сырья. На сегодняшний день уровень основной метаболитов в образцах были проанализированы и протоколы, используемые приведены в этой статье.
Introduction
Население и экономический рост обусловили растущий спрос на продовольствие, вода и топливо. Многие из этих материалов производятся, обрабатываются и транспортируют с помощью конечных ископаемых на основе средств, таких как нефть. Это, однако, ясно, что эта практика не является устойчивым, и, следовательно, развитие альтернативных ресурсов будет иметь большое значение 1. Многие возобновляемые ресурсы, в разной степени, в настоящее время эксплуатируются, в том числе ветра, движения воды, солнечной, геотермальной, и волны на основе источников энергии. Другой устойчивой и в значительной степени неиспользованным ресурсом является биомасса из растений. Этот ресурс также предлагает очень экономически эффективным способ преобразования солнечной полученную энергию в топливо 2. Помимо предоставления биологической основе топлива, растительная биомасса также предлагает уникальные возможности для альтернативных продуктов, в том числе пластмасс, моющих средств, и ценные химические.
Стена Растительная клетка, которая в значительной степени состоит из сахара на основе полимеров, макэс до основную массу биомассы завода и много усилий в настоящее время инвестировали в его эффективного преобразования в биоэтанол. Остальные биомассы может быть впоследствии перерабатывается в биогаз и нефтяных продуктов, связанных с 3. Большая часть многолетних видов растений, в том числе трав и деревьев, которые производят большое количество целлюлозной биомассы обычно лучше всего растут в зонах с умеренным климатом. Тем не менее, около 20% от площади земель полузасушливых, и, следовательно, также склонны к засухам 4. Очевидно, было бы интересно также культивировать эти засушливые земли с растениями, которые могли бы эффективно способствовать устойчивому производству энергии и материалов. Эти растения должны иметь оптимальную эффективность использования воды и засухоустойчивостью и будет включать в себя дерево табака (Nicotiana Glauca) и видов из рода Агава.
MultiBioPro консорциум стремится реализовывать комплексный Biorefinery трубопровода, используя два важных кроп видов, тополь и табак дерево. Тополь стала многообещающим урожая биотоплива, как это быстро растет, легко клонально размножают и хорошо адаптируется к широкому спектру климатических и почвенных условий. Он также предоставляет широкий спектр древесины, волокна, топливной древесины и других лесных продуктов 5. Дерево табак также стал подходящим завод на биотоплива и переработке биологических веществ целей. Это, как правило, производит значительное количество биомассы, содержит большое количество неструктурных углеводов 6, а также имеет редкую способность накапливать большое количество легко извлекаемых непищевых масел (в том числе длинной цепи C 29-C 31 насыщенных углеводородов и тритерпеноиды), которые подходят для биодизеля производство. Дерево табак, более того, поддаются генетическому улучшению, имеет высокую способность прорастания, и растет счастливо на полузасушливых почв, не используемых для производства продуктов питания. Таким образом, представляется, что и тополя и табак дерево имеют внутреннюю потенциал для MULTIPЗАДАЧА культуры, то есть как новые сырья высокого значения для интегративной биологической основе промышленности. В данной работе мы ориентируемся на разнообразный набор подходов различить, как долго табачные дерево депозиты углеводородов цепи.
В попытке идентифицировать основной молекулярные машины, отвечающий за производство и секрецию насыщенных длинноцепочечных углеводородов на листьях табака, мы применяем современные "омик" технологий. Это включает в себя РНК последующие статьи в развития серии листьев (десять ступеней), и мультиплатформенный метаболит профилирования подходы с использованием LC-и ГХ-МС (для полярных и неполярных метаболитов и lipidomics). Эти данные будут использованы для добычи экспрессии генов, что коррелирует с, или предшествует, начала биосинтеза молекул, указанных выше. Гены и пути, которые кажутся многообещающими от этих усилий будет использоваться для функционального тестирования в модельных видов Arabidopsis и в конечном счете может быть поддаются для биотехнологического машиностроения в табачнойАККО дерево.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы, представленные здесь, обеспечивают всеобъемлющие рамки для анализа табачных листья деревьев для метаболитов и стенограммы. Предусматривается, что эти объединенные усилия должны предоставить нам новое понимание процессов, лежащих в основе синтеза и экструзию углеводородов и соединений высоких значений, присутствующих в этой ткани. Таким образом, эти подходы должны дать нам лучшее понимание того, как синтезируются соединения. В дополнение к табачных деревьев аспектах работы, он также направлен на улучшение тополя биомассы, особенно в интересах лигнификацию вторичной структуры стены, но и для изучения, можем ли мы использовать кору для извлечения ценных соединений.
Методы, представленные в данном документе, являются небольшие модификации стандартных методов метаболита профилирования. Эти методы, конечно, ограничен известных метаболических профилей, и вполне возможно, что несколько новых метаболических пиков могут быть получены для WHICH никакого соединени не известно. Мы надеемся поставить эти соединения в контексте с другими метаболитов путем объединения поведение метаболитов и стенограммы над развитием временных рядов.
Ни один из методов, представленных здесь не существенно изменилась от методов, обычно используемых для растительных материалов. Интересный аспект заключается в сочетании методов, чтобы понять основную структуру для основном длительного производства цепь углеводородов и внесении изменений в табачных листьев. Одним из важнейших шагов для получения этой информации является последующее сочетание различных типов данных. Мы предполагаем, что данные как первой оценки будут разделены на различных кластеров на основе поведения метаболитов / транскриптов более развития и что эти данные будут использованы для вывода стенограмму против метаболитов поведения, а также потенциально назначить определенные метаболиты в пути . Кроме того, более сложные сетевые анализы то предусмотрено то эксплуатировать причинно-следственные связи.
Аналитические протоколы, представленные здесь, также обеспечивают основу для полевых испытаний и промышленной эксплуатации биомассы. Чтобы достичь этого, консорциум MultiBioPro содержит несколько промышленных партнеров, которые имеют способности для дальнейшего изучения биомассы, с целью доставить биодизеля, биоэтанола и других соединений с высокой добавленной стоимостью. Эти типы эксплуатации биомассы будет оцениваться на основе; (1) проверка надежности и качества био продуктов, произведенных (типичные промышленности стандартные тесты будут проводиться для обеспечения получаемые продукты имеют хорошую рыночную стоимость), (2), экономического, социального и экологического оценка технологий будет осуществляться с помощью литературных источников, интервью и материал, который создается во время полевых испытаний и оценок по переработке биологических веществ на пилотной установке. Эти мероприятия будут включать затрат и выгод и анализ жизненного цикла, генерацию экологической досье и рынка и деловосс стратегии. Мы считаем, что этот трубопровод станет полезным сочетание научных кругов, прикладной науки и промышленной эксплуатации к дальнейшему тополя и табака биомассы дерева на потребительские конечных продуктов.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MultiBioPro хотел бы поблагодарить следующих людей, которые также вносят свой вклад в проект: Доминик Суинтон (зеленого топлива), Томас Лоури (зеленого топлива), Сэм Buekenhout (Capax), и Сильвия 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).
