Une équipe dirigée par des chercheurs du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) — un centre de recherche en bioénergie (BRC) du ministère de l'Énergie (DOE) — a créé une nouvelle ressource précieuse qui offre une compréhension plus approfondie de cette précieuse culture bioénergétique et de ses possibilité de concevoir une plante de sorgho plus résiliente à l'avenir.

Le travail est une collaboration entre le CABBI et le Centre de recherche sur la bioénergie des Grands Lacs (GLBRC), un membre du BRC ; l'Institut HudsonAlpha de biotechnologie ; et le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL), une installation utilisateur du DOE au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Les chercheurs ont identifié des modèles d'expression génique dans les principaux types de cellules qui composent le tissu des tiges de sorgho (qui représentent 80 % de la biomasse totale de la plante), ainsi que des promoteurs potentiels spécifiques à chaque type de cellule et des réseaux de gènes régulateurs sous-jacents.

Leur objectif était de développer une image de tous les modèles d’expression génique au niveau d’un seul type de cellule, ce qui est essentiel à la modification de cette plante par génie génétique – un processus que les scientifiques utilisent pour modifier un ou quelques gènes cibles afin de modifier les caractéristiques de la plante. Leurs travaux ont été publiés dans The Plant Journal. .

"Cette étude nous permet de déchiffrer les caractéristiques physiologiques et moléculaires de la tige du sorgho au niveau du type cellulaire, mais elle aide également d'autres scientifiques ayant des intérêts divers à identifier les gènes candidats pour développer un sorgho plus grand et plus résistant", a déclaré l'auteur principal Jie Fu, professeur de philosophie. .D. candidat avec Amy Marshall-Colon, co-chercheuse du CABBI, professeur de biologie végétale à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Les chercheurs ont adapté une technique préexistante appelée microdissection par capture laser (LCM) pour les tissus de tiges de sorgho présentant des parois cellulaires plus tenaces, où ils ont utilisé un laser ultraviolet (UV) comme couteau pour isoler différents types de cellules. Couplés à une technique à haut débit appelée séquençage d'ARN, qui peut tester les modèles d'expression de tous les gènes à la fois, ils ont pu réaliser un atlas complet des modèles d'expression génique au début de la phase de croissance végétative, révélant ainsi l'expression spécifique au type de cellule. , les voies et les réseaux réglementaires sous-jacents.

Cette base de données d'expression génique à haut débit peut servir d'outil de base pour permettre aux chercheurs ayant des intérêts divers dans les CRB d'explorer les caractéristiques moléculaires et physiologiques de la tige de sorgho à un niveau de type cellulaire sans précédent.

Les modèles d'expression découverts dans cette étude offrent aux chercheurs sur le sorgho la possibilité de concevoir des promoteurs spécifiques à un type de cellule capables de permettre une expression génique ciblée à l'emplacement souhaité, en minimisant les interférences d'autres types de cellules.

Ce travail soutient l'approche « les plantes en tant qu'usines » du CABBI et l'objectif principal de sa recherche sur la production de matières premières :fournir des graminées résilientes et hautement productives qui produisent de grandes quantités de lipides et profitent à d'autres CRB utilisant du sorgho ou des graminées similaires.

À long terme, l'isolement réussi de types cellulaires à l'aide de la microdissection par capture laser permettra d'autres types de collecte de données « omiques » à partir des tiges de sorgho et contribuera à une base de données multi-omique précieuse et complète pour cette espèce modèle C4.

En tant qu'alternative plus propre aux produits à base de pétrole, les biocarburants et les produits biochimiques fabriqués à partir de sorgho et d'autres cultures bioénergétiques peuvent contribuer à atténuer le changement climatique et à garantir la sécurité alimentaire en ne faisant pas concurrence aux cultures vivrières de base pour l'accès à la terre et à l'eau.

L'étude accélérera les efforts visant à concevoir une meilleure matière première bioénergétique pour le sorgho, fournissant non seulement plus de connaissances sur les tissus de la tige du sorgho au niveau du type cellulaire, mais également plusieurs promoteurs potentiels spécifiques au type cellulaire pour le génie génétique.

Par exemple, un goulot d'étranglement dans la production de lipides du sorgho est que l'huile ne s'accumule pas dans son type cellulaire le plus abondant (la moelle), et que de grandes quantités de lipides s'accumulent au début de la croissance, ce qui nuit à la croissance des plantes et entraîne une faible biomasse.

L'application de promoteurs spécifiques à un type de cellule en amont des gènes critiques identifiés dans le processus de production de lipides de la plante peut diriger l'accumulation d'huile dans les types de cellules souhaités. Et avec les recherches en cours du laboratoire sur les modèles de régulation temporelle des gènes, cela pourrait également conduire à une accumulation de lipides à un stade de croissance plus bénéfique.

L'étude est la première analyse à haute résolution de l'expression des gènes dans les entre-nœuds matures, les sections de la tige entre les nœuds où poussent les feuilles, a déclaré Kankshita Swaminathan, co-PI du CABBI, de l'Institut HudsonAlpha. "Cela pose les bases de l'ingénierie de types de cellules spécifiques pour produire de nouveaux bioproduits", a-t-elle déclaré.