Plantebiomasse tilbyder en vedvarende ressource for flere produkter, herunder brændstof, foder, fødevarer og en række forskellige materialer. I dette papir undersøger vi egenskaberne af tobak træ (Nicotiana glauca) og poppel som egnede kilder for et bioraffinaderi pipeline.
Den globale efterspørgsel efter fødevarer, foder, energi og vand udgør ekstraordinære udfordringer for fremtidige generationer. Det er indlysende, at robuste platforme for udforskning af vedvarende ressourcer er nødvendige for at overvinde disse udfordringer. Inden for de multinationale rammer MultiBioPro vi er ved at udvikle bioraffinaderi rørledninger for at maksimere brugen af plantebiomasse. Mere specifikt bruger vi poppel og tobak træet (Nicotiana glauca) som target afgrødearter til forbedring saccharification, isoprenoid, indhold lange kæde kulbrinte, fiber kvalitet og suberin og lignin indhold. De metoder, der anvendes til at opnå disse effekter omfatter GC-MS, LC-MS og RNA sekventering platforme. Metabolitten rørledninger er veletablerede værktøjer til at generere disse typer af data, men også have de begrænsninger, idet kun godt karakteriserede metabolitter kan anvendes. Den dybe sekventering vil give os mulighed til at omfatte alle udskrifter til stede under de udviklingsmæssige stadier af tobak træ blad, men hat blive kortlagt tilbage til sekvensen af Nicotiana tabacum. Med disse set-ups, vi sigter mod en grundlæggende forståelse for de underliggende processer og skabe en industriel ramme for at udnytte resultaterne. I et mere langsigtet perspektiv, mener vi, at data, der genereres her, vil give midler til en bæredygtig bioraffinaderi proces ved hjælp af poppel og tobak træ som råmateriale. Til dato det basale niveau af metabolitter i prøverne er blevet analyseret og de anvendte protokoller er fastsat i denne artikel.
Befolkning og økonomisk vækst har forårsaget en stigende efterspørgsel efter mad, vand og brændstof. En stor del af disse leverancer der fremstilles, forarbejdes og transporteres ved hjælp af finite fossilt baserede midler, såsom petroleum. Det er imidlertid klart, at denne praksis ikke er holdbar, og udvikling af alternative midler vil derfor være af stor betydning 1. Mange vedvarende ressourcer er i varierende grad, i øjeblikket udnyttet, herunder vind, vand bevægelse, sol, geotermisk varme, og bølge baserede energikilder. En anden bæredygtig og stort set uudnyttet ressource er biomasse fra planter. Denne ressource tilbyder også en meget omkostningseffektiv måde at konvertere solenergi afledt energi til brændstof 2. Bortset fra at levere biobaseret brændstof plantebiomassen tilbyder også unikke muligheder for alternative produkter, herunder plast, rengøringsmidler og værdifulde kemikalier.
Plante cellevæg Den, som i vid udstrækning består af sukker polymerer, MAKes op hovedmassen af anlæggets biomasse og mange kræfter i øjeblikket investeret i en effektiv omdannelse til bioethanol. Den resterende biomasse kan efterfølgende forarbejdes til biogas og olierelaterede produkter 3. Meget af den flerårige plantearter, herunder græs og træer, der producerer store mængder af cellulosebaseret biomasse typisk vokser bedst i de tempererede zoner. Men omkring 20% af landarealet er halvtørre og er derfor også udsat for tørke 4. Det vil naturligvis være af interesse for også dyrke disse golde landskab med planter, der effektivt kan bidrage til en bæredygtig produktion af energi og materiale. Disse planter har brug for at have en optimal vandforbrug effektivitet og tørke modstand og ville omfatte tobak træet (Nicotiana glauca) og arter fra Agave-slægten.
Den MultiBioPro Konsortiet har til formål at gennemføre en integreret bioraffinaderi rørledning, ved hjælp af to vigtige crop arter, poppel og tobak træ. Poppel er dukket op som en lovende biobrændstof afgrøde, da det hurtigt vokser, let klonalt formeres og meget tilpasningsdygtige til en bred vifte af klima-og jordbundsforhold. Det giver også en bred vifte af træ, fiber, brænde og andre skovprodukter 5. Tobakken træet er også dukket op som et egnet anlæg til biobrændsel og bioraffinaderi formål. Det producerer typisk betydelige mængder biomasse, indeholder store mængder af ikke-strukturelle kulhydrater 6, og har også den sjældne evne til at akkumulere store mængder af let ekstraherbare ikke-spiselige olier (herunder lang kæde C 29-C 31 mættede kulbrinter og triterpenoids), der er egnet til biodiesel produktion. Tobakken træ er i øvrigt gøres til genstand for genetisk forbedring, har høj spiring kapacitet, og vokser lykkeligt på halvtørre jorder, der ikke anvendes til fødevareproduktion. Det fremgår således, at både poppel og tobak træ har iboende potentiale for multipFORMÅLET afgrøder, dvs som nye høj værdi råmaterialer til en integrativ biobaseret industri. I dette papir har vi fokus på varieret sæt metoder til at skelne, hvordan tobak træ indskud langkædede kulbrinter.
I et forsøg på at identificere den underliggende molekylære maskineri er ansvarlig for produktion og udskillelse af de mættede langkædede kulbrinter for tobaksblade, anvender vi moderne "omik" baserede teknologier. Dette omfatter RNA seq af en udviklingsmæssig blad serie (ti etaper), og multiplatform metabolit profilering tilgange ved hjælp af LC-og GC-MS (for polære og ikke-polære metabolitter og lipidomics). Disse data vil blive brugt til at udvinde for genekspression, der korrelerer med, eller går forud, indtræden af biosyntese af molekylerne, der er angivet ovenfor. Gener og stier, der vises lovende fra disse bestræbelser vil blive anvendt til funktionel test i modellen arter Arabidopsis og i sidste ende kan være modtagelig til bioteknologisk teknik i TOBacco træ.
De protokoller, der præsenteres her giver en omfattende ramme for at analysere tobak træ blade for metabolitter og udskrifter. Det forventes, at disse kombinerede indsats bør give os ny indsigt i processerne bag syntesen og ekstrudering af kulbrinter og den høje værdi forbindelser til stede i dette væv. Disse metoder bør derfor give os en bedre forståelse for, hvordan forbindelserne bliver syntetiseret. Ud over de tobak træ aspekter af arbejdet, er det også til formål at forbedre poppel biomasse, især rettet mod lignification af den sekundære væg struktur, men også at undersøge, om vi kan bruge bark til udvinding af værdifulde forbindelser.
De metoder, der præsenteres i dette papir er små modifikationer af standardiserede metoder til metabolit profilering. Disse metoder er naturligvis begrænset til kendte metaboliske profiler og det er muligt at adskillige nye metaboliske toppe kan opnås for which ingen forbindelse er kendt. Vi håber at sætte disse forbindelser i sammenhæng med andre metabolitter ved at kombinere adfærd metabolitter og udskrifter i serie den udviklingsmæssige tid.
Ingen af de metoder, der præsenteres her, er ændret væsentligt fra metoder, der typisk anvendes til plantematerialer. Det interessante aspekt ligger i kombinationen af metoder til at forstå den underliggende ramme for primært lang produktionskæden kulbrinte og ændring i tobaks træ blade. Et af de vigtige skridt for at opnå denne information er den efterfølgende kombination af de forskellige datatyper. Vi forestiller, at de data, som en første evaluering vil blive opdelt i forskellige klynger baseret på adfærd metabolitter / udskrifter over udvikling, og at disse data vil blive brugt til at udlede afskrift vs metabolit adfærd, og også til potentielt overdrage visse metabolitter veje . Desuden er mere omfattende netbaserede analyser derefter forestillede to udnytte årsagssammenhænge.
De analytiske protokoller, der præsenteres her vil også give et grundlag for felt-forsøg og industriel udnyttelse af biomassen. For at opnå dette, MultiBioPro konsortiet indeholder flere industrielle partnere, der har evner til yderligere at udforske biomasse, med det formål at levere biodiesel, bioethanol og andre forbindelser af høj vaerdi. Disse typer af udnyttelse af biomasse vil blive vurderet på grundlag af; (1) at teste robustheden og kvaliteten af de bio produkter produceres (typisk industri standard tests vil blive gennemført for at sikre, at produkterne genererede har god markedsværdi), (2), en økonomisk, social og miljømæssig vurdering af teknologierne vil blive udført hjælp litteraturkilder, interviews og materiale, der genereres under feltforsøg og pilotanlæg bioraffinaderi vurderinger. Disse aktiviteter vil omfatte cost-benefit og livscyklusanalyse, generering af en miljømæssig dokumentation og markeds-og virksss strategier. Vi mener, at denne rørledning vil blive en nyttig blanding af den akademiske verden, anvendt videnskab og industriel udnyttelse til yderligere poppel og tobak træ biomasse til forbrugerprodukter slutprodukter.
The authors have nothing to disclose.
MultiBioPro vil gerne takke følgende personer, som også bidrager til projektet: Dominic Swinton (Green Fuels), Thomas Lowery (Green Fuels), Sam Buekenhout (Capax) og Sylvia Drouven (Capax).
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 |