A l'intérieur du phytotron, des rangées d'armoires industrielles blanches cachent la durée de vie attendue dans une serre. Un coup d'œil à travers un hublot carré, cependant, révèle l'énergie verte qui pousse à l'intérieur de la chambre lumineuse. Ces gaules de peuplier spécifiques peuvent ne pas survivre aux difficultés des sécheresses prolongées et des vagues de chaleur, mais ils aident une équipe de chercheurs à créer ceux qui le peuvent.

stresse, comme les températures élevées et le manque d'eau douce, peut entraîner une croissance réduite des cultures ou même une perte complète. La fréquence croissante de ces périodes de stress inspire une course pour trouver des plantes plus tolérantes. Mais les méthodes traditionnelles de sélection végétale sont lentes, nécessitant des essais et des erreurs sur plusieurs générations. Maintenant, un groupe collaboratif de chercheurs redessine le peuplier, une culture bioénergétique, sur la base de son génome spécifique en quelques années seulement.

La population humaine croissante impose des exigences croissantes sur les utilisations de tous les types de terres. Pour que l'industrie des biocarburants puisse concurrencer les sources de carburant conventionnelles, elle doit utiliser les ressources terrestres, mais idéalement pas besoin des mêmes terres premium que celles utilisées pour cultiver de la nourriture. Si les cultures de biocarburants sont conçues pour être plus tolérantes au stress, ils peuvent maintenir une production élevée de biomasse sur des terres marginales, ce qui maintient la compétitivité de l'industrie.

L'année dernière, le Department of Energy's Office of Science a accordé 5,5 millions de dollars pour améliorer la production de biomasse de peuplier à l'équipe multi-institutionnelle de l'Université de Californie, Davis, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, et deux autres universités :University of Tennessee (UT) et West Virginia University (WVU). Le titre du projet est "SyPro Poplar:Improving Poplar Biomass Production under Abiotic Stress Conditions:An Integrated Omics, Bioinformatique, La biologie de synthèse, et l'approche du génie génétique."

Pour le projet de cinq ans, l'équipe "développe des peupliers par une approche transgénique qui sont tolérants à plusieurs stress en même temps, " dit le co-chercheur principal Amir H. Ahkami. Ahkami est un biologiste moléculaire végétal avec EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL.

Combinaisons

Les études antérieures n'ont porté que sur un seul stress abiotique :la carence en eau, température élevée ou salinité du sol - à la fois, explique Ahkami. En réalité, les plantes peuvent souffrir simultanément d'une combinaison de stress. Donc, trouver une solution spécifique au peuplier dans ces circonstances est l'objectif du projet.

L'astuce peut consister à développer une série de promoteurs synthétiques - les promoteurs contrôlent l'expression des gènes - qui activent les gènes appropriés de tolérance au stress. Mais pour y parvenir, il faudra une combinaison d'approches avancées et de nouvelles technologies.

"Nous réunissons des biologistes cellulaires, biologistes moléculaires, physiologistes et un laboratoire national dans un effort commun, " dit le biologiste des plantes Eduardo Blumwald, le chercheur principal principal et un éminent professeur de biologie cellulaire à l'UC Davis. « Il s'agit d'une approche pluridisciplinaire, et je pense que c'est l'élément le plus important."

Ahkami ajoute, "Et nous avons réuni un très bon groupe d'experts pour ce projet."

La transformation des plantes nécessite une séquence d'ADN qui combine un promoteur et un gène. Commencer par des plantes qui ont été placées dans des conditions de stress aidera à identifier les gènes et les protéines sensibles au stress. Blumwald applique des tests de stress contrôlés à des plants de peuplier dans une serre de recherche à l'UC Davis. Les traitements comprennent la réduction de la disponibilité de l'eau, abaisser la qualité de l'eau et désactiver le refroidissement de la serre.

A des dates précises tout au long des soins, Blumwald échantillonne les feuilles et les racines des spécimens de peuplier et les expédie au PNNL pour une analyse omique spécifique aux cellules et aux tissus. La transcriptomique est l'étude de l'ensemble complet des transcrits d'ARN produits par le génome d'un organisme, tandis que la protéomique est l'étude de ses protéines. L'approche omique spécifique au type de cellule est unique et sera informative.

En utilisant cette approche multiomique, Ahkami peut identifier les gènes et les protéines fortement exprimés de manière différentielle dans des conditions de stress, qui sont exprimés plus ou moins par rapport à ceux dans des conditions normales. Puis, en utilisant un outil de génie génétique tel que Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ou CRISPR, il peut vérifier la fonction d'un gène d'intérêt.

Il peut ensuite identifier des promoteurs sensibles au stress sur la base des gènes et des protéines induits par le stress et, en collaboration avec les experts de l'UT, utiliser la bioinformatique pour découvrir un élément régulateur particulier, ou un motif, qui guide l'ingénierie d'un promoteur.

Conception-construction-test

En créant leurs propres promoteurs synthétiques, les chercheurs ne sont pas limités aux seuls promoteurs trouvés dans la nature. Ils peuvent concevoir ceux qui sont spécifiques à l'espèce et au type de cellule afin qu'ils n'activent les bons gènes qu'en cas de besoin.

"Nous voulons interférer le moins possible avec le développement de l'arbre, " dit Blumwald. " Si nous voulons exprimer un gène de manière constitutive tout le temps, nous courons le risque que le gène rende les plantes un peu plus petites, par exemple."

Il compare cela à une personne qui va au supermarché. Si quelqu'un fait des courses sur le chemin du travail, alors il ou elle doit s'occuper de cette nourriture dans la voiture ou dans le bus et au travail - c'est encombrant, il dit. En faisant vos courses après le travail, cette personne ne reçoit de la nourriture que lorsque la nourriture est nécessaire. Les traits de résistance au stress ne doivent être exprimés que lorsque vous le souhaitez.

En utilisant les connaissances acquises grâce aux omiques et aux bibliothèques de promoteurs existantes, les chercheurs concevront, construire et tester une suite de promoteurs synthétiques potentiels. Plus d'une centaine de promoteurs seront criblés avec des protoplastes dérivés de feuilles et de racines de peuplier - des cellules dont les parois cellulaires ont été retirées - à l'aide d'un système robotique dans le co-chercheur principal C. Neal Stewart, Le laboratoire de Jr. à l'UT. Pour savoir si un promoteur travaille, les chercheurs vont chercher une protéine fluorescente à éclairer, explique Stewart, professeur de sciences végétales, qui se concentre sur la génétique végétale.

"C'est l'une des choses où tu as beaucoup d'échecs, mais tout ce dont vous avez besoin c'est d'un ou deux coups, " dit Stewart, "Et puis c'est un succès."

L'équipe installera les meilleurs promoteurs artificiels dans des plants de peuplier pour entraîner le gène d'intérêt. Puis, les chercheurs évalueront les plantes transgéniques dans la serre de recherche.

Le projet se termine par une étude de terrain, ce qui le distingue de la plupart des autres projets. "Il est presque toujours vrai que les performances dans les conditions de terrain sont différentes des performances en serre, " déclare le co-chercheur principal Stephen DiFazio, un professeur de génomique végétale qui supervisera les essais sur le terrain à WVU.

Le champ expose les plantes transgéniques à d'autres stress, comme le vent, gel, insectes, et pathogènes, pas vu dans l'environnement de serre. Les essais sur le terrain pourraient révéler si la modification de l'expression d'un gène natif perturbait un autre système de la plante, explique DiFazio.

Progrès jusqu'ici

L'étude sur le terrain est encore dans quelques années, car le projet n'en est qu'à la fin de sa première année. Le projet est ambitieux, dit Ahkami, mais il est optimiste.

"Les données que nous avons générées jusqu'à présent, notamment pour la protéomique, sont très prometteurs, " dit-il. " Les identificateurs de protéines que nous avons trouvés dans chaque type de cellule fournissent une preuve de concept pour une technique qui pourrait être largement utilisée pour le phénotypage moléculaire des tissus des feuilles et des racines de peuplier soumis à un stress à une résolution au niveau cellulaire. "

Ahkami et le reste de l'équipe d'EMSL n'en seraient pas à ce stade sans la possibilité d'intégrer plusieurs fonctionnalités disponibles dans l'installation de l'utilisateur, dont certaines n'ont jamais été combinées auparavant. Récemment, EMSL a annoncé une réorganisation et un réalignement vers de nouveaux domaines scientifiques, et ses objectifs de l'Espace Sciences Biologiques, entre autres foyers, améliorer les stratégies de conception des usines de production de biocarburants, qui est l'objectif du projet SyPro Poplar.

Certains outils et expertises clés de l'EMSL permettent la nouvelle analyse spécifique au type cellulaire du projet. À partir des échantillons de feuilles et de racines, les chercheurs peuvent cibler des types de cellules spécifiques pour la récolte en utilisant la microdissection par capture laser ou LCM. Par exemple, une feuille a des cellules palissades et mésophylles spongieuses et des tissus vasculaires, et une racine a des cellules épidermiques et corticales et des tissus stellaires. La haute résolution du microscope LCM de l'EMSL permet aux chercheurs de sélectionner manuellement des cellules d'un certain type. Le système coupera les cellules souhaitées, puis les catapultera sans contact vers un dispositif de collecte.

En isolant la cellule ou le tissu par type, "vous enrichissez votre signal, isoler une population beaucoup plus spécifique sur laquelle vous pouvez ensuite faire vos demandes et questions en aval, " dit Will Chrisler, L'expert LCM du PNNL. L'utilisation d'un échantillon de feuilles ou de racines en vrac pourrait facilement enterrer le signal.

Avant analyse protéomique par spectrométrie de masse, l'équipe de recherche doit préparer les échantillons spécifiques au type cellulaire collectés par le LCM. La technologie nouvellement développée appelée nanoPOTS (Nanodroplet Processing in One pot for Trace Samples) joue ici un rôle clé.

"Le goulot d'étranglement avec la protéomique était avec le traitement des échantillons, " dit le chimiste analytique Ryan Kelly, l'un des développeurs de nanoPOTS, qui maintient un rendez-vous conjoint avec EMSL alors qu'il est maintenant à l'Université Brigham Young. Il a fallu de nombreuses cellules, parce que la majeure partie de l'échantillon a été perdue lors du passage de la matière première au prêt pour l'analyse. Les protéines ne peuvent pas être amplifiées, tout comme l'ADN et l'ARN.

Mais désormais, nanoPOTS permet à l'équipe de mesurer des protéines dans des échantillons 100 à 1000 fois plus petits que ceux utilisés auparavant, explique Kelly.

La puissance de ces outils fait partie de ce qui permet à un projet d'une telle ampleur de progresser si rapidement en seulement cinq ans.

Peuplier populaire

Un autre facteur qui accélère le travail est le sujet :le peuplier. Une caractéristique pratique est sa facilité de multiplication végétative, selon DiFazio. Les boutures de tiges placées dans le sol s'enracineront facilement. La plupart des arbres mettent cinq ans à fleurir, donc attendre les graines prendrait la longueur du projet, il explique. Au lieu, la multiplication végétative permet aux chercheurs de faire des centaines voire des milliers de copies exactes de l'original en quelques mois. Plus, les copies conservent les améliorations génétiques contrairement aux graines qui pourraient les perdre en se croisant avec une autre plante mère.

Cette propriété, en plus de sa facilité de gestion dans les serres et les paramètres de recherche, fait du peuplier une plante bien étudiée. Les informations sur le peuplier sont abondantes, y compris la séquence complète de son génome. Elle dispose également d'un système de transformation efficace, contrairement à la plupart des autres arbres.

Le peuplier est déjà largement répandu aux États-Unis et au Canada. Mais si l'équipe réussit, dit Ahkami, alors les producteurs peuvent étendre le peuplier à plus de zones et de conditions où ils ne prospèrent pas actuellement, rendre plus de biomasse disponible.

DiFazio pense aux régions rurales, comme les communautés charbonnières de son État d'origine, la Virginie-Occidentale, qui perdent leurs sources de revenus traditionnelles. « Ces communautés auraient la possibilité de jouer un rôle important dans l'économie énergétique, si nous pouvons développer des cultures qui pousseront sur les terres marginales qui sont abondantes dans ces parties du pays, " il dit.

L'un de ces sites est celui des mines à ciel ouvert. "Ça boucle le cycle, " il dit.

Bientôt sur les terrains industriels, rangée après rangée de l'énergie verte pourrait être furtivement à travers.