Växtbiomassa erbjuder en förnybar resurs för flera produkter, bland annat bränsle, foder, livsmedel och en mängd olika material. I denna artikel vi undersöka egenskaperna hos tobaksträd (Nicotiana glauca) och poppel som lämpliga källor för ett bioraffinaderi pipeline.
Den globala efterfrågan på livsmedel, foder, energi och vatten innebär extra utmaningar för framtida generationer. Det är uppenbart att robusta plattformar för utforskandet av förnybara resurser är nödvändiga för att övervinna dessa utmaningar. Inom den multinationella ramen MultiBioPro utvecklar vi bioraffinaderi rörledningar för att maximera användningen av växtbiomassa. Mer specifikt använder vi poppel och tobak träd (Nicotiana glauca) som mål-grödor för att förbättra saccharification, isoprenoid, långa innehåll kedja kolväte, fiberkvalitet, och suberin och lignininnehåll. De metoder som används för att erhålla dessa utgångar inkluderar GC-MS, LC-MS-och RNA-sekvense plattformar. Metaboliten rörledningar är väletablerade verktyg för att skapa dessa typer av data, men har också begränsningar i att endast väl karakteriserade metaboliter kan användas. Den djupa sekvensering ger oss möjlighet att inkludera alla avskrifter närvarande under de utvecklingsstadier av tobaks träd, blad, men hsom ska mappas tillbaka till sekvensen av Nicotiana tabacum. Med dessa uppställningar, vi siktar på en grundläggande förståelse för bakomliggande processer och att upprätta en industriell ram för att utnyttja resultaten. I ett mer långsiktigt perspektiv tror vi att data som genereras här kommer att ge medel för en hållbar bioraffinaderi process med hjälp av poppel och tobak träd som råvara. Hittills den basala nivån av metaboliter i proverna har analyserats och de protokoll som används finns i den här artikeln.
Befolkning och ekonomisk tillväxt har medfört en ökad efterfrågan på mat, vatten och bränsle. En stor del av dessa leveranser tillverkas, bearbetas och transporteras med hjälp av ändliga fossila sätt, till exempel olja. Det är dock uppenbart att denna praxis är inte hållbart, och utveckling av alternativa resurser kommer därför att vara av stor vikt 1. Många förnybara resurser är, i varierande grad, för närvarande utnyttjas, inklusive vind, vatten rörelse, solenergi, geotermisk energi, och vinka baserade energikällor. En annan hållbar och outnyttjad resurs är biomassa från växter. Denna resurs har även ett mycket kostnadseffektivt sätt att omvandla solenergi härrör energin i bränslen 2. Bortsett från att tillhandahålla biobaserat bränsle, växtbiomassa erbjuder unika möjligheter för alternativa produkter, bland annat plast, rengöringsmedel och värdefulla kemikalier.
Växtcellväggen, som till stor del består av sockerbaserade polymerer, makes upp huvuddelen av växtens biomassa och mycket arbete är för närvarande satsas på en effektiv omvandling till bioetanol. Den återstående biomassan kan därefter bearbetas till biogas och oljerelaterade produkter 3. En stor del av de perenna växtarter, bland gräs och träd, som producerar stora mängder cellulosa biomassa vanligtvis växer bäst i de tempererade zonerna. Dock är cirka 20% av landarealen halvtorrt, och är därför också benägna att torka 4. Självklart skulle det vara av intresse att även odla dessa torra marker med växter som på ett effektivt sätt kan bidra till en hållbar produktion av energi och material. Dessa anläggningar måste ha en optimal vattenanvändningen och torka motstånd och skulle omfatta tobaksträdet (Nicotiana glauca) och arter från Agave släktet.
Den MultiBioPro konsortiet syftar till att genomföra ett integrerat bioraffinaderi pipeline, med hjälp av två viktiga spop art, poppel och tobak träd. Poppel har vuxit fram som ett lovande biobränsle gröda som det snabbväxande, lätt kloner förökas och mycket anpassningsbara till en mängd olika klimat-och markförhållanden. Det ger också ett brett utbud av trä, fiber, ved och andra skogsprodukter 5. Tobaks träd har också vuxit fram som en lämplig anläggning för biobränslen och bioraffinaderier ändamål. Den producerar normalt betydande mängder biomassa, innehåller höga halter av icke-strukturella kolhydrater 6, och dessutom har den sällsynta förmågan att ackumulera stora mängder lätt extraherbara nonfood oljor (inbegripet lång kedja C 29-C 31 mättade kolväten och triterpenoids) som är lämpliga för biodiesel produktion. Tobaks träd är dessutom bli föremål för genetisk förbättring, har hög groning kapacitet, och växer gärna på halvtorra jordar som inte används för livsmedelsproduktion. Det förefaller därför som både poppel och tobak träd har inneboende potential för multipYFTET grödor, dvs som nya värdefulla råvaror för en integrativ biobaserad industri. I denna uppsats fokuserar vi på mångfald av metoder för att urskilja hur tobaks träd insättningar långkedjiga kolväten.
I ett försök att identifiera den underliggande molekylära maskineriet som ansvarar för produktion och utsöndring av de mättade långkedjiga kolväten på tobaksblad, tillämpar vi moderna "omik" baserade teknologier. Detta inkluderar RNA artiklar i en utvecklingsbladserie (tio stegen), och multiplattforms metabolit profilering närmar använder LC-och GC-MS (för polära och icke-polära metaboliter och lipidomics). Dessa data kommer att användas för att bryta för genuttryck som korrelerar med, eller föregår, uppkomsten av biosyntesen av molekylerna som anges ovan. Gener och vägar som verkar lovande från detta arbete kommer att användas för funktionstestning i modellarter Arabidopsis och kan i slutändan vara mottaglig för bioteknisk ingenjörs i tobacco träd.
De protokoll som presenteras här ger en övergripande ram för att analysera tobaks löv för metaboliter och avskrifter. Det är tänkt att dessa gemensamma ansträngningar ska ge oss nya insikter i de processer som ligger till grund för syntes och extrudering av kolvätena och det höga värdet föreningar i denna vävnad. Dessa metoder bör därför ge oss en bättre förståelse för hur de föreningar som syntetiseras. Förutom de tobaks trädet aspekter av arbetet, är det också syftar till att förbättra poppel biomassa, särskilt med inriktning lignification av den sekundära väggstrukturen, men också för att undersöka om vi kan använda bark för utvinning av värdefulla ämnen.
De metoder som presenteras i detta dokument är smärre ändringar av standardiserade metoder för metabolit profilering. Dessa metoder är naturligtvis begränsad till kända metaboliska profiler, och det är möjligt att flera nya metaboliska toppar kan erhållas för which ingen förening är känd. Vi hoppas kunna sätta dessa föreningar i sammanhang med andra metaboliter genom att kombinera beteende metaboliter och avskrifter över utvecklings tidsserier.
Ingen av de metoder som presenteras här är väsentligt ändras från metoder som vanligtvis används för växtmaterial. Det intressanta ligger i kombinationen av metoder för att förstå den bakomliggande ram för huvudsakligen lång produktionskedja kolväten och ändringar i tobaks träd blad. En av de kritiska stegen för att få denna information är den efterföljande kombinationen av de olika datatyper. Vi ser framför oss att de uppgifter som en första utvärdering kommer att delas in i olika grupper baserat på beteendet hos de metaboliter / utskrifter över utvecklingen och att dessa uppgifter kommer att användas för att dra slutsatser om utskrift vs metabolit beteenden, och även för att eventuellt överlåta vissa metaboliter till vägar . Dessutom är mer avancerade nätverksbaserade analyser sedan tänkt to utnyttja orsakssamband.
De analytiska protokoll som presenteras här kommer också att ge underlag för fält prövningar och industriellt utnyttjande av biomassan. För att åstadkomma detta, innehåller MultiBioPro konsortiet flera industriella partners som har förmåga att ytterligare utforska biomassa, i syfte att leverera biodiesel, bioetanol och andra föreningar med högt värde. Dessa typer av exploatering av biomassa kommer att bedömas utifrån; (1) att testa robustheten och kvaliteten på de biologiska produkter som produceras (typiska industrin standardtester kommer att genomföras för att säkerställa att produkter som genereras har bra marknadsvärdet), (2), en ekonomisk, social och miljömässig utvärdering av tekniken kommer att utföras med hjälp av litteraturkällor, intervjuer och material som genereras under fältförsök och pilotanläggning bioraffinaderi bedömningar. Dessa aktiviteter kommer att inkludera kostnads-och livscykelanalys, generering av miljö dokumentation och marknad och business strategier. Vi tror att denna rörledning kommer att bli en nyttig blandning av akademiska, tillämpad vetenskap och industriell exploatering ytterligare poppel och tobak trädbiomassa för konsumentslutprodukter.
The authors have nothing to disclose.
MultiBioPro vill tacka följande personer som också bidrar till projektet: Dominic Swinton (Gröna bränslen), Thomas Lowery (Gröna bränslen), Sam Buekenhout (Capax), och 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 |