新资源精确定位高粱植物细胞的内部工作原理用于设计更好的生物能源原料

生物能源高粱是生产生物燃料和生物产品的重要资源，也是可持续农业未来的重要组成部分。研究人员一直在努力提高这种高大耐旱植物的产量，使其更能适应恶劣的环境条件。但由于缺乏对植物细胞内部工作原理的了解，这些努力受到了阻碍，这使得科学家无法给出适当的遗传指令来修改其关键特性——包括产油量。

由先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)——美国能源部(DOE)生物能源研究中心(BRC)——的研究人员领导的团队创​​造了一种宝贵的新资源，可以更深入地了解这种宝贵的生物能源作物，并为未来设计更具弹性的高粱植物提供可能性。

这项工作是CABBI与大湖生物能源研究中心(GLBRC)、BRC成员、HudsonAlpha生物技术研究所以及环境分子科学实验室(EMSL)(太平洋西北国家实验室(PNNL)的一个DOE用户设施)之间合作的成果。

研究人员确定了构成高粱茎组织的主要细胞类型中的基因表达模式(占植物总生物量的80%)以及潜在的细胞类型特异性启动子和潜在的调控基因网络。

他们的目标是在单细胞类型水平上绘制出所有基因表达模式的图像，这对于通过基因工程改造这种植物至关重要——科学家利用基因工程改造一个或几个目标基因，以改变植物的特性。他们的研究成果发表在《植物杂志》上。

“这项研究不仅让我们能够在细胞类型水平上阐明高粱茎的生理和分子特性，还能帮助具有不同兴趣的其他科学家找到培育更大、更具弹性的高粱的候选基因，”该研究的主要作者、CABBI博士候选人、伊利诺伊大学香槟分校植物生物学教授AmyMarshall-Colon说道。

研究人员将一种称为激光捕获显微切割(LCM)的现有技术应用于细胞壁更坚固的高粱茎组织，他们使用紫外线(UV)激光作为刀子来分离不同类型的细胞。结合一种称为RNA测序的高通量技术，该技术可以同时测试所有基因的表达模式，他们能够在早期营养生长阶段获得基因表达模式的综合图谱，揭示细胞类型特异性表达、途径和潜在的调控网络。

这个高通量基因表达数据库可以作为一个基本工具，让不同BRC的研究人员能够在前所未有的细胞类型水平上探索高粱茎的分子和生理特性。

本研究发现的表达模式为高粱研究人员提供了设计细胞类型特异性启动子的机会，这些启动子可以使目标基因在所需的位置表达，同时将来自其他细胞类型的干扰降至最低。

这项工作支持了CABBI的“植物即工厂”方法及其原料生产研究的主要目标-提供具有弹性、高产的草类，这些草类可以产生大量的脂质，并使使用高粱或类似草类的其他BRC受益。

从长远来看，使用激光捕获显微切割技术成功分离细胞类型将允许从高粱茎中收集其他类型的“组学”数据，并为该模型C4物种建立有价值的、全面的多组学数据库。

作为石油基产品的更清洁的替代品，由高粱和其他生物能源作物制成的生物燃料和生物化学品可以帮助减缓气候变化，并通过不与主粮作物争夺土地和水资源来保障粮食安全。

该研究将加速设计更好的生物能源高粱原料的努力，不仅提供更多关于高粱茎组织细胞类型的知识，而且还为基因工程提供几种潜在的细胞类型特异性启动子。

例如，高粱脂质生产的一个瓶颈是油不能在其最丰富的细胞类型(髓)中积累，并且大量脂质在早期生长阶段积累，这会损害植物生长并导致生物量低。

在植物脂质生产过程中确定的关键基因上游应用细胞类型特异性启动子，可以引导油脂在所需细胞类型中积累。随着实验室对基因时间调控模式的持续研究，这最终也可能导致脂质在更有利的生长阶段积累。

CABBI联合首席研究员、HudsonAlpha研究所的KankshitaSwaminathan表示，这项研究首次高分辨率洞察了成熟节间(即茎节之间长有叶子的部分)的基因表达。“它为设计特定细胞类型以生产新型生物产品奠定了基础，”她说。