Zwei neue Publikationen könnten die Entwicklung von Biokraftstoffen unterstützen. Ein Team von Wissenschaftlern hat kürzlich veröffentlicht das Genom von Miscanthus sinensis, eine Pflanze, die häufig als Ziergras in Gärten vorkommt. Die Forschung hat bereits einige Ergebnisse bei der Suche nach a erbracht Teil des Genoms, das mit der Blütezeit im Gras zusammenhängt. In der Lage zu sein, Blütezeiten zu synchronisieren, wird Wissenschaftlern dabei helfen, verschiedene Arten zu kreuzen Miscanthus Pflanzen, um auf die produktivsten Merkmale zu züchten.

Welche Pflanzen werden sequenziert?

Obwohl es sich um ein beliebtes Ziergras handelt, war das Sammeln des Materials nicht so einfach wie der Besuch des örtlichen Gartencenters für Vorräte. „Dieses Papier verwendete a M. sinensis haploider Genotyp, der war von der University of Illinois charakterisiert und vom Institut für Pflanzengenetik der Polnischen Akademie der Wissenschaften geschaffen“, sagte Daniel Rokhsar, der die Genomveröffentlichung mitleitete. „Die Pflanze war klein und schwer am Leben zu erhalten, also nicht optimal für die Produktion von Biomassepflanzen, aber aufgrund ihrer reduzierten Genomkomplexität erleichterte sie den Genomaufbau – das heißt, selbst das grundlegende Genom ist das Ergebnis einer relativ neuen Vervielfältigung des gesamten Genoms.“

Das Team wechselte zum Erkunden M. sinensis nach Beginn eines Projekts mit einer Hybridart von Miscanthus, sagte Co-Direktor Kankshita Swaminathan. „Wir begannen zunächst mit der Erforschung des Genoms von Miscanthus × Giganteus. Obwohl wir wussten, dass dies ein Triploid war (3 Genome anstelle der typischen 2, die die meisten Organismen haben), wussten wir nichts über die gesamte Genomverdopplung. Diese ersten Studien zeigten uns, dass dies ein komplexes Genom war, das schwer zusammenzusetzen war. Verwendung unabhängiger Kartierungspopulationen von Diploiden M. sinensis Linien erstellte ein Team von IBERS und der University of Illinois genetische Karten von M. sinensis und habe das entdeckt Miscanthus enthielt eine vollständige Genomduplikation, die die Komplexität dieses großen Genoms weiter erhöhte. Diese Daten begannen mit der Suche nach einem doppelt haploiden Miscanthus und schlossen Forscher der Polnischen Akademie der Wissenschaften in die Zusammenarbeit ein.“

Iain Donnison, der die blühende Zeitung überwachte, hatte eine andere Quelle für sein Material. „Die Familienkreuzung zur Kartierung der Blütezeit wurde in der gemacht Miscanthus Züchtungsprogramm unter Beteiligung von John Clifton-Brown und Charlotte Hayes. Dr. Karen Petersen stellte den weiblichen Klon zur Verfügung, der 1988 vom dänischen Pflanzensammler Dr. Poul Erik Brander auf der gemäßigten japanischen Insel Honshu selektiert wurde. Er war Teil des Europäischen Miscanthus-Verbesserungsprogramms (EMI) (1997–2000). Dr. Oene Dolstra lieferte den männlichen Genotyp aus der BIOMIS-Population im Rahmen eines vom britischen Ministerium für Umwelt, Ernährung und ländliche Angelegenheiten (Defra) finanzierten Kooperationsprojekts zwischen dem Vereinigten Königreich und den Niederlanden. Diese Familie ist eine F1-Kartierungspopulation aus Fremdbestäubung von Vollgeschwistern zwischen dem weiblichen Klon EMI11 (dänische Zugangsnummer MS-88-110) und dem männlichen Klon H0023.

„Außerdem hat IBERS gesammelt neue Zugänge von Miscanthus Arten und Genotypen aus der Wildnis in Taiwan, Japan, China, Südkorea (im Rahmen der UN-Protokolle Übereinkommen über die biologische Vielfalt und Zugang und Vorteilsausgleich).“

Wie engagieren sich so viele Menschen?

Die Papiere sind das Ergebnis der Zusammenarbeit von Menschen, die in mehreren Instituten arbeiten, ein Prozess, der organisch begann. „Die meisten dieser Gruppen begannen mit der Arbeit Miscanthus unabhängig“, sagte Kankshita Swaminathan. „Miscanthus ist auf dem asiatischen Subkontinent beheimatet und wirklich zu verstehen Miscanthus Artenvielfalt und das Sammeln von Keimplasma für die Züchtung mussten wir repräsentative Pflanzen aus dem gesamten Sortiment sammeln. Dies führte zu den vielen internationalen Kooperationen, die Sie hier sehen.“

Die Forscher kamen auf Konferenzen zusammen, sagte Daniel Rokhsar. „Kankshita und Kerrie Farar leiten einen jährlichen Workshop beim Plant & Animal Genome Meeting in San Diego, der viele Mitglieder dieser Gemeinschaft zusammenbringt. Die Konferenz bot vielen, die an dem Projekt und der Arbeit beteiligt waren, eine jährliche Gelegenheit, sich in regelmäßigen Abständen auszutauschen. Kankshita leitete das Sequenzierungsprojekt und das Manuskript, einschließlich der Koordination mit allen Autoren.“

Für die blühende Zeitung kam die Zusammenarbeit aufgrund der BBSRC-Finanzierung für eine britisch-amerikanische Zusammenarbeit zustande, die Iain Donnison mit Malay Saha von der Samuel Roberts Noble Foundation in Oklahoma zugesprochen wurde. „IBERS-Wissenschaftler begannen ihre Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Biotechnologieunternehmen Ceres, bei dem Richard Flavell Chief Scientific Officer war. IBERS hatte auch eine BBSRC-Finanzierung bis zur Blütezeit in erhalten Miscanthus, und Ceres waren daran interessiert, molekulare Marker für dieses Merkmal zu identifizieren. Ceres arbeitete auch bereits mit Switchgrass-Forschern der Noble Foundation zusammen, und die speziesübergreifende Zusammenarbeit entwickelte sich, als wir erkannten, dass wir ähnliche Bestrebungen und Ansätze bei der Züchtung für Bioenergie hatten. IBERS hat Ceres und Noble bei mehreren Gelegenheiten besucht und fand die Interaktionen wissenschaftlich vorteilhaft und unterhaltsam.“ sagte Iain Donnison

„Wenn Forscher ein gemeinsames und komplexes Interesse haben, ist es für sie nicht schwer, zusammenzukommen“, fügte Kankshita Swaminathan hinzu. „Ein paar E-Mails, Anrufe und der Austausch auf wissenschaftlichen Konferenzen reichen oft aus, um das Interesse an einer Zusammenarbeit für ein gemeinsames Ziel zu wecken. Wenn es keine anderen Konflikte gibt, bildet sich natürlich eine Zusammenarbeit.“

Neue Möglichkeiten

„Dieses Manuskript eröffnet Möglichkeiten, die Biologie dieses äußerst erfolgreichen mehrjährigen Grases zu verstehen. Es bietet Züchtern und Genetikern die Möglichkeit, Gene hinter Merkmalen zu verstehen und Marker zu verwenden, um interessante Merkmale zusammenzubringen“, sagte Kankshita Swaminathan.

„Es ist auch großartig, das neue Referenzgenom zu haben, da es für weitere vergleichende Genomik und auch genetische und QTL-Kartierung verwendet wird, um interessierende Merkmale für Regionen des Genoms zu lokalisieren, Transkriptomanalysen, um zu verstehen, wie Miscanthus Gene in verschiedenen Teilen der Pflanze reguliert werden und wie sie unter verschiedenen Bedingungen reagieren, sowie für GxE-Studien. Dies kann die zukünftige Pflanzenzüchtung beschleunigen Miscanthus und sowohl IBERS- als auch Illinois-Gruppen versuchen dies durch genomische Vorhersagemethoden zu tun. Vor allem hat dies ein echtes Potenzial, den Klimawandel in naher Zukunft durch Ansätze wie Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) zu bekämpfen, um negative (Kohlenstoff-)Emissionen zu erzeugen und es den Volkswirtschaften somit zu ermöglichen, die COXNUMX-Emissionen zu verringern und die Netto-Null-Ziele zu erreichen.“

Die Veröffentlichung einer Studie zur Blütezeit in Miscanthus zeigt, dass das Genom bereits einen Wert für Forscher hat. „Die Blütezeit ist ein so wichtiges Merkmal und spannend zu studieren, besonders wenn über eine relativ neu untersuchte Art so wenig darüber bekannt ist“, sagte Elaine Jensen, eine der ersten Autorinnen der Blütestudie. „Die Gattung Miscanthus ist unglaublich vielfältig.“

„Wir haben Akzessionen aus einem Breitengrad gesammelt, der sich vom 18^oN in Hainan, China, auf 45^oN in Preide, China. Wir wissen von anderen Arten, dass die Blütezeit ein komplexes Merkmal ist und dass die Herkunftsbreite wahrscheinlich einen gewissen Einfluss auf die Blütezeit hat (wobei Akzessionen aus nördlichen Breiten früher blühen), und wir haben das festgestellt M. sinensis Genotypen zeigen eine komplexe geografische Beziehung, die Klimaschwankungen widerspiegelt. Die einzige Möglichkeit, Kreuzungen zu machen, besteht darin, die Blüte zu synchronisieren, weshalb wir in sie investiert haben bestimmen, welche Faktoren das Timing beeinflussen. Sobald wir die Kreuzungen gemacht haben, wollen wir jedoch ein Mittel zum Screening der Nachkommenschaft, um festzustellen, ob sie die gewünschte spätblühende Eigenschaft haben, um die Vegetationsperiode maximal nutzen zu können: Eine optimale Blüte maximiert den Ertrag und die Qualität der Biomasse und sichert die Nachhaltigkeit dieser mehrjährigen Kultur.“

Ein weiterer Druck auf Ackerland?

Bedeutet das Versprechen einer effizienteren Biokraftstoffpflanze, dass die Nachfrage nach landwirtschaftlichen Flächen steigt und der Druck auf die Nahrungsmittelversorgung zunimmt? Nicht unbedingt, meint Iain Donnison. „Bioenergieforschung wird oft als Gegensatz zwischen Nahrungsmitteln und Kraftstoffen dargestellt, entweder direkt oder indirekt über die Landnutzungsänderung. Unser Ziel ist es, spezielle Nutzpflanzen zu nutzen, die auf (marginalen) Böden wachsen, die weniger für die Nahrungsmittelproduktion geeignet sind. Mehrjährige Pflanzen wie Miscanthus sind nachhaltiger als einjährige, da sie keinen so intensiven jährlichen Zyklus aus Pflügen, Herbizid-, Pestizid- und Düngemitteleinsatz benötigen.“

„Die Energieverhältnisse von zugeführter zu abgegebener Energie können extrem hoch sein, z. B. x30 oder sogar mehr. Miscanthus ist einzigartig in seiner effizienten C4-Photosynthese, die bei niedrigeren Temperaturen funktioniert, weshalb die Erträge selbst in gemäßigten Klimazonen so beeindruckend sind. Unsere Möglichkeiten für kohlenstoffbasierte erneuerbare Kraftstoffe sind sehr begrenzt, Energiepflanzen spielen eine besondere Rolle im Energiesystem. Um ehrgeizige Klimaschutzziele zu erreichen, wie sie im Pariser Abkommen von 2015 auf der COP21 vereinbart wurden, benötigen wir vor allem Technologien zur Entfernung von Treibhausgasen wie BECCS, die die negativen Emissionen erzeugen können, die erforderlich sind, damit Industriewirtschaften Netto-Null werden. Mit anderen Worten, diese negativen Emissionen werden benötigt, um die schwer vollständig zu dekarbonisierenden Sektoren wie Luftfahrt, Schwerindustrie und Viehzucht (z. B. rotes Fleisch und Milchprodukte) zu kompensieren und sogar noch weiter zu gehen und dazu beizutragen, die historischen Emissionen aus der Verbrennung zu beseitigen von fossilen Brennstoffen. Darüber hinaus können diese neuen grünen Technologien zur Bekämpfung des Klimawandels zu einer Erholung nach Covid beitragen und Arbeitsplätze schaffen, wie in der Ankündigung der Regierung einer grünen industriellen Revolution in dieser Woche beschrieben.“

„So sehr wir auch den Rest der Sektoren dekarbonisieren, wir brauchen diese negativen Emissionen, bei denen Kohlenstoff durch schnell wachsende Pflanzen durch Photosynthese gebunden und der Kohlenstoff entweder zu langlebigen Produkten verarbeitet oder in einem Kraftwerk verbrannt und das CO2 aufgefangen, komprimiert und dann hineingepumpt wird unterirdische Geschäfte. Weitere Alternativen sind die Nutzung des CO2 in Gewächshäusern für den Gartenbau und erneute Fixierung durch Pflanzen oder die industrielle Nutzung im Rahmen der Kreislaufwirtschaft. Solche Diskussionen, einschließlich der Festlegung von Zielen, werden nächstes Jahr auf der COP26 in Glasgow fortgesetzt.“

Ein wachsendes Feld

Wer in die Forschung einsteigen möchte, soll einen Raum für sich finden können. „Wir haben ein sehr vielfältiges Team mit Leuten mit Fachkenntnissen in Molekularbiologie, Botanik, Genetik, Mathematik, Computeranalyse und -programmierung, Statistik und quantitativen Analysen usw. Wichtig ist, dass Sie lieben, was Sie tun, und Fachwissen darin entwickeln. Wenn es eine Lücke in Ihrem Fachwissen gibt, um ein bestimmtes Thema zu erforschen (und bei der heutigen interdisziplinären Wissenschaft wird es immer eine Lücke geben), finden Sie einen guten Mitarbeiter, der Ihnen helfen kann“, sagte Kankshita Swaminathan

„„Forschungsteams sind heute vielfältig und interdisziplinär. Neben der Entwicklung Ihrer eigenen Interessengebiete ist es wichtig, mit verschiedenen Forschern und Anwendern in verschiedenen Teilen der kommerziellen Pipeline kommunizieren zu können, um zur Forschung über Ihr eigenes Fachgebiet hinaus beizutragen“, sagte Iain Donnison.

„Wir glauben so leidenschaftlich daran, dass wir uns sogar eingerichtet haben ein Studiengang wo Biologen jedes Jahr auch mit Studenten anderer Disziplinen wie Betriebswirtschaftslehre, Volkswirtschaftslehre, internationale Politik sowie Englisch und kreatives Schreiben studieren werden.“

Da der Klimawandel ein langfristiges Problem sein wird, wird dies wahrscheinlich noch viele Jahre lang eine Quelle der Forschung bleiben.