Məlumat

7.15B: Genomika və bioyanacaq - Biologiya

7.15B: Genomika və bioyanacaq - Biologiya



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Öyrənmə Məqsədləri

  • Mikrob genomikasından istifadə edərək yeni bioyanacaqların yaradılması prosesini izah edin

Mikroorqanizmlərin genomikası haqqında biliklər yosunlardan və siyanobakteriyalardan bioyanacaqdan istifadə etməyin daha yaxşı yollarını tapmaq üçün istifadə olunur. Bu gün əsas yanacaq mənbələri kömür, neft, odun və etanol kimi digər bitki məhsullarıdır. Bitkilər bərpa olunan mənbələr olsa da, əhalinin enerji tələbatını ödəmək üçün daha çox alternativ bərpa olunan enerji mənbələrinin tapılmasına ehtiyac var. Mikrob dünyası yeni fermentləri kodlayan və yeni üzvi birləşmələr istehsal edən genlər üçün ən böyük resurslardan biridir və o, əsasən istifadə olunmamış qalır.

Mikrob biokütləsinin parçalanması üçün bir çox namizəd artıq müəyyən edilmişdir. Bunlara selülozu parçalamaq qabiliyyətinə görə Clostridia növləri və bitki hüceyrə divarının ən inadkar xüsusiyyətlərinin parçalanması ilə əlaqəli genləri ifadə edən göbələklər, bitkiyə struktur bütövlüyü və zərərvericilərə qarşı müqavimət göstərən fenolik "yapışqan" liqnin daxildir. Ağ çürük göbələk Phanerochaete chrysosporium bitki hüceyrə divarlarının sellüloza mikrofibrillərini əhatə edən qoruyucu matris vasitəsilə çıxış əldə edərək liqnini effektiv şəkildə parçalayan unikal hüceyrədənkənar oksidləşdirici fermentlər istehsal edir.

Başqa bir göbələk, maya Pichia stipitis, sərt ağaclarda və kənd təsərrüfatı məhsulu qalıqlarında bol olan beş karbonlu “ağac şəkəri” ksilozunu fermentləşdirir. PichiaBu yaxınlarda ardıcıllaşdırılmış genom, kommersiya istehsal suşlarında bu qabiliyyəti optimallaşdırmaq üçün səylərə rəhbərlik edərək, bu prosesdən məsul olan metabolik yollar haqqında anlayışlar ortaya qoydu. Pathway mühəndisliyi selüloz və hemiselülozadan alınan şəkərlərin tam repertuarını fermentləşdirə bilən və yanacaq məhsuldarlığını optimallaşdırmaq üçün daha yüksək etanol konsentrasiyalarına dözə bilən daha geniş çeşiddə orqanizmlər istehsal etməyi vəd edir. Məsələn, təbiətin öz bioreaktoru olan termitin arxa bağırsağındakı tərkibi sellüloza və hemiselülozun fermentativ dekonstruksiyasına aid 500-dən çox gen əldə etmişdir.

Əsas Nöqtələr

  • Mikroorqanizmlər yeni fermentləri kodlaya və bioyanacaq kimi istifadə edilə bilən yeni üzvi birləşmələr istehsal edə bilər.
  • Göbələklərin genomik analizi Pichia etanol yanacaqlarının fermentləşdirilməsində istifadəsini optimallaşdırmağa imkan verəcək.
  • Termitlərin arxa bağırsağındakı mikrobların təhlili sellülozun fermentativ məhvində faydalı ola biləcək 500 gen tapıb.
  • Genetik markerlər, 2001-ci ildə FTB-nin bir neçə poçt parçasında aşkar edilmiş xüsusi qarayara ştammını müəyyən etmək üçün mikrob genomikasından istifadə etdiyi kimi, məhkəmə-tibbi analizdə istifadə edilmişdir.
  • Genomika kənd təsərrüfatında quraqlıq və xəstəliklərə davamlılıq kimi daha çox arzu olunan xüsusiyyətlərə malik bitkiləri inkişaf etdirmək üçün istifadə olunur.

Əsas Şərtlər

  • bərpa olunan resurs: insanlar və ya digər istifadəçilər tərəfindən istehlak nisbəti ilə müqayisə olunan sürətlə təbii proseslərlə doldurulan təbii sərvət
  • bioyanacaq: bərpa olunan bioloji resursdan əldə edilən hər hansı yanacaq

17.4 Genomikanın tətbiqi

Bu bölmənin sonunda siz aşağıdakıları edə biləcəksiniz:

DNT ardıcıllığı və bütöv genom ardıcıllığı layihələrinin, xüsusən də İnsan Genomu layihəsinin tətbiqi DNT ardıcıllığı məlumatının tətbiq imkanlarını genişləndirdi. Metagenomika, farmakogenomika və mitoxondrial genomika kimi bir çox sahələr genomikadan istifadə edir. Xəstəliklərin müalicəsini başa düşmək və tapmaq genomikanın ən çox yayılmış tətbiqidir.

Fərdi Səviyyədə Xəstəlik Riskinin Proqnozlaşdırılması

Xəstəlik riskinin proqnozlaşdırılması, fərdi səviyyədə genom analizi ilə hazırda sağlam fərdlərin müayinəsini əhatə edir. Səhiyyə mütəxəssisləri xəstəlik başlamazdan əvvəl həyat tərzi dəyişiklikləri və dərmanlarla müdaxilə etməyi tövsiyə edə bilərlər. Bununla belə, bu yanaşma problemin tək bir gen qüsuru daxilində olduğu zaman daha çox tətbiq edilir. Bu cür qüsurlar inkişaf etmiş ölkələrdə xəstəliklərin təxminən 5 faizini təşkil edir. Ürək xəstəliyi kimi ümumi xəstəliklərin əksəriyyəti çox faktorlu və ya poligenikdir, bu, iki və ya daha çox geni əhatə edən fenotipik xüsusiyyətdir və həmçinin pəhriz kimi ətraf mühit faktorlarını əhatə edir. 2010-cu ilin aprelində Stenford Universitetinin alimləri sağlam bir insanın genom analizini dərc etdilər (Stenford Universitetinin alimi, Stenford Universitetinin alimi. Təhlil onun müxtəlif xəstəliklərə tutulma meylini proqnozlaşdırdı. Tibb qrupu risk qiymətləndirməsi apardı. Quake-in 55 müxtəlif tibbi vəziyyət üçün risk faizini təhlil edin.Komanda nadir bir genetik mutasiya tapdı, bu da onun qəfil infarkt riski altında olduğunu göstərdi.Nəticələr həmçinin Quake-in prostat xərçənginə tutulma riskinin 23 faiz və 1,4 faiz olduğunu proqnozlaşdırdı. Alzheimer xəstəliyinin inkişaf riski.Alimlər genomik məlumatları təhlil etmək üçün verilənlər bazası və bir neçə nəşrdən istifadə etdilər.Genomik ardıcıllıq getdikcə daha əlverişli və analitik alətlər daha etibarlı hala gəlsə də, tədqiqatçılar hələ də populyasiya səviyyəsində genomik analizlə bağlı etik problemləri həll etməlidirlər.

Vizual əlaqə

2011-ci ildə Birləşmiş Ştatların Profilaktik Xidmətlər üzrə İşçi Qrupu sağlam kişilərdə prostat xərçəngi üçün skrininq üçün PSA testindən istifadə etməyi tövsiyə etdi. Onların tövsiyəsi skrininqin prostat xərçəngindən ölüm riskini azaltmadığına dair sübutlara əsaslanır. Prostat xərçəngi çox vaxt çox yavaş inkişaf edir və problem yaratmır, xərçəngin müalicəsi isə ciddi yan təsirlərə səbəb ola bilər. The PCA3 test daha dəqiqdir, lakin skrininq hələ də xərçəngdən zərər görməyən kişilərin müalicədən yan təsirlərə məruz qalması ilə nəticələnə bilər. Nə fikirləşirsən? Bütün sağlam kişilər istifadə edərək prostat xərçəngi müayinəsindən keçməlidirlər PCA3 yoxsa PSA testi? Ümumiyyətlə insanlar xərçəng və ya digər xəstəliklər üçün genetik riski olub-olmadığını öyrənmək üçün skrininqlərdən keçməlidirlərmi?

Farmakogenomika və Toksikogenomika

Farmakogenomika və ya toksikogenomika, fərdin genomik ardıcıllığından alınan məlumatlar əsasında dərmanın effektivliyini və təhlükəsizliyini qiymətləndirməyi əhatə edir. İnsanlarla tədqiqatlara başlamazdan əvvəl laboratoriyada eksperimental heyvanlardan (məsələn, laboratoriya siçovulları və ya siçanlar) və ya canlı hüceyrələrdən istifadə edərək dərmanlara genomik cavabları öyrənə bilərik. Gen ifadəsindəki dəyişikliklərin öyrənilməsi, zəhərli təsirlərin potensialının erkən göstəricisi kimi istifadə edə biləcəyimiz dərmanın mövcudluğundakı transkripsiya profili haqqında məlumat verə bilər. Məsələn, hüceyrə böyüməsində və nəzarət edilən hüceyrə ölümündə iştirak edən genlər, narahat olduqda, xərçəng hüceyrələrinin böyüməsinə səbəb ola bilər. Genom miqyasında aparılan tədqiqatlar həm də dərman toksikliyində iştirak edən yeni genləri tapmağa kömək edə bilər. Tibb mütəxəssisləri fərdi genotip əsasında ən təsirli və ən az zəhərli dərmanlar təyin etmək üçün şəxsi genom ardıcıllığı məlumatlarından istifadə edə bilərlər. Gen imzaları tam dəqiq olmaya bilər, lakin tibb mütəxəssisləri patoloji simptomlar ortaya çıxmazdan əvvəl onları daha da sınaqdan keçirə bilərlər.

Mikrob genomikası: metagenomika

Ənənəvi olaraq, alimlər mikrobiologiyadan mikroorqanizmləri təmiz mədəniyyət şəraitində öyrənməyin ən yaxşısı olduğu fikri ilə öyrədirlər. Bu, tək bir hüceyrə növünün təcrid edilməsini və laboratoriyada becərilməsini əhatə edir. Mikroorqanizmlər bir neçə saat ərzində bir neçə nəsil keçə bildiyi üçün onların gen ifadə profilləri yeni laboratoriya mühitinə çox tez uyğunlaşır. Bundan əlavə, bakteriya növlərinin böyük əksəriyyəti ayrı-ayrılıqda becərməyə müqavimət göstərir. Əksər mikroorqanizmlər təcrid olunmuş varlıqlar kimi deyil, mikrob icmalarında və ya biofilmlərdə yaşayırlar. Bütün bu səbəblərə görə təmiz mədəniyyət həmişə mikroorqanizmləri öyrənmək üçün ən yaxşı üsul deyil. Metagenomika ətraf mühitdə böyüyən və qarşılıqlı təsir göstərən çoxsaylı növlərin kollektiv genomlarının öyrənilməsidir. Metagenomika yeni növlərin daha tez müəyyən edilməsi və çirkləndiricilərin ətraf mühitə təsirinin təhlili üçün istifadə edilə bilər (Şəkil 17.16).

Mikrob genomikası: Yeni bioyanacaqların yaradılması

Mikroorqanizmlərin genomikası haqqında biliklər yosunlardan və siyanobakteriyalardan bioyanacaqdan istifadə etməyin daha yaxşı yollarını tapmaq üçün istifadə olunur. Bu gün əsas yanacaq mənbələri kömür, neft, odun və etanol kimi digər bitki məhsullarıdır. Bitkilər bərpa olunan mənbələr olsa da, əhalinin enerji tələbatını ödəmək üçün daha çox alternativ bərpa olunan enerji mənbələrinin tapılmasına ehtiyac var. Mikrob dünyası yeni fermentləri kodlayan və yeni üzvi birləşmələr istehsal edən genlər üçün ən böyük resurslardan biridir və o, əsasən istifadə olunmamış qalır. Mikroorqanizmlər tədqiqatlarda, antibiotiklərdə və digər antimikrobiyal mexanizmlərdə istifadə olunan fermentlər kimi məhsullar yaratmaq üçün istifadə olunur. Mikrob genomikası diaqnostik vasitələrin, təkmilləşdirilmiş peyvəndlərin, yeni xəstəliklərin müalicəsinin və qabaqcıl ətraf mühitin təmizlənməsi üsullarının hazırlanmasına kömək edir.

Mitoxondrial genomika

Mitoxondriyalar öz DNT-lərini ehtiva edən hüceyrədaxili orqanoidlərdir. Mitoxondrial DNT sürətlə mutasiyaya uğrayır və elm adamları tez-tez ondan təkamül əlaqələrini öyrənmək üçün istifadə edirlər. Mitoxondrial genomun öyrənilməsini maraqlı edən başqa bir xüsusiyyət, çoxhüceyrəli orqanizmlərin əksəriyyətində mitoxondrial DNT-nin mayalanma prosesi zamanı anadan keçməsidir. Bu səbəbdən, elm adamları şəcərəni izləmək üçün tez-tez mitoxondrial genomikadan istifadə edirlər.

Mütəxəssislər cinayət yerlərindəki DNT nümunələrindən alınan məlumat və ipuçlarını məhkəmə işlərində sübut kimi istifadə ediblər və məhkəmə-tibbi analizdə genetik markerlərdən istifadə ediblər. Genomik analiz də bu sahədə faydalı olmuşdur. Məhkəmə ekspertizasında genomikanın ilk istifadəsini nümayiş etdirən ilk nəşr 2001-ci ildə çıxdı. Bu, ABŞ Poçt Xidməti vasitəsilə bildirilən sirli qarayara hadisələrini həll etmək üçün akademik tədqiqat institutları və FTB arasında əməkdaşlıq cəhdi idi. Tədqiqatçılar mikrob genomikasından istifadə edərək, günahkarın bütün göndərişlərdə spesifik qarayara xəstəliyindən istifadə etdiyini müəyyən etdilər.

Kənd təsərrüfatında genomika

Genomika elmi tədqiqatlarda iştirak edən sınaqları və uğursuzluqları müəyyən dərəcədə azalda bilər ki, bu da kənd təsərrüfatı məhsullarının keyfiyyətini və kəmiyyətini yaxşılaşdıra bilər. Xüsusiyyətləri genlər və ya gen imzaları ilə əlaqələndirmək, ən arzu olunan keyfiyyətlərə malik hibridləri yaratmaq üçün məhsul yetişdirilməsini yaxşılaşdırmağa kömək edir. Elm adamları arzu olunan xüsusiyyətləri müəyyən etmək üçün genomik məlumatlardan istifadə edir və sonra bu xüsusiyyətləri başqa bir orqanizmə ötürür. Tədqiqatçılar genomikanın kənd təsərrüfatı istehsalının keyfiyyətini və kəmiyyətini necə yaxşılaşdıra biləcəyini kəşf edirlər. Məsələn, elm adamları faydalı məhsul yaratmaq və ya mövcud məhsulu artırmaq üçün arzu olunan xüsusiyyətlərdən istifadə edə bilər, məsələn, quraqlığa həssas məhsulu quru mövsümə daha dözümlü etmək kimi.


Ümidlər və narahatlıqlar arasında sintetik genomika və sintetik biologiya tətbiqləri

İnsan ehtiyaclarını ödəmək üçün nəzərdə tutulmuş yeni orqanizmlər və bioloji sistemlər sintetik genomikanın və sintetik biologiyanın məqsədlərindəndir. Sintetik biologiya təbiətdə mövcud olmayan bioloji komponentləri, funksiyaları və orqanizmləri modelləşdirməyə və qurmağa və ya yeni funksiyaları yerinə yetirmək üçün mövcud bioloji sistemləri yenidən dizayn etməyə çalışır. Sintetik genomika, digər tərəfdən, kimyəvi sintez edilmiş bütöv genomların və ya genomların daha böyük hissələrinin yaradılması texnologiyalarını əhatə edir və eyni zamanda orqanizmlərin genetik materialında saysız-hesabsız dəyişiklikləri həyata keçirməyə imkan verir. Mühəndislik kompleksi funksiyaları və ya sintetik biologiyada yeni orqanizmlər tədricən sintetik genomikadan asılı olur və birləşir. Hər iki sahədən tətbiqlərin mümkün yeni dərmanlar, bərpa olunan kimyəvi maddələr və ya təmiz enerji yaratmaqla böyük fayda gətirəcəyi proqnozlaşdırılsa da, onlar həm də yeni təhlükəsizlik, ekoloji və sosial-iqtisadi risklərlə bağlı narahatlıqlara səbəb olub - getdikcə qütbləşən müzakirələri qızışdırıb. Burada biz sintetik genomikanın və sintetik biologiyanın biotibbi və biotexnoloji tətbiqlərində son irəliləyişlərə, eləcə də onların mümkün faydaları, riskləri və idarəetmə nəticələri ilə bağlı arqumentlər və sübutlar haqqında ümumi məlumat vermək niyyətindəyik.

Açar sözlər: Tətbiqlərin Faydaları Bioyanacaq Biotibb Ətraf Mühit Riskləri Sintetik biologiya. Sintetik genomika.

Rəqəmlər

Sintetik genomika və sintetik biologiya...

Biotibb və sağlamlıqda sintetik genomika və sintetik biologiya tətbiqləri. A. “Protez” hüceyrə…

Ətraf mühitə sintetik biologiya yanaşmaları...

Ətraf mühitin tətbiqinə sintetik biologiya yanaşmaları. A. Tezliklə modulyasiya edilən bütün hüceyrəli biosensor massivi...

Müxtəlif nəsil bioyanacaqlar və…

Bioyanacaqların müxtəlif nəsilləri və onların karbon dövrləri.

Sintetik biologiya anlayışlarını əhatə edən yanaşmalar...

Bioyanacaq yaratmaq üçün sintetik biologiya konsepsiyalarını əhatə edən yanaşmalar. A . Sintetik yol…


Genetik təkmilləşdirmə üçün biotexnoloji vasitələr

Doku mədəniyyəti

Transgen bitkilərin istehsalı, eləcə də vegetativ çoxalma üçün səmərəli keçid hüceyrə və toxuma mədəniyyəti tələb olunur. 1991-ci ilə qədər, cücərti otu toxuma mədəniyyəti tədqiqatı aparılmışdır. ABŞ-ın Bioenerji Yem Ehtiyatının İnkişafı Proqramının başlanması keçid otlarının uzunmüddətli təkmilləşdirilməsi imkanlarını artırdı [11]. Beləliklə, 1990-cı illərdə bu proqram transgenik xətlərin inkişafı üçün resurs bazasını artırmaq məqsədi ilə eksplant növlərini, toxuma mədəniyyətini və keçid otlarının bərpasını araşdıran tədqiqatlara təkan verdi. Switchgrass somatik embriogenez və orqanogenezdən sonra regenerasiyaya uyğundur.

Embriogen kallus

Somatik embriogenez Dençev və Konqer [24] tərəfindən yüksək tezlikli bitki regenerasiyasını bildirmişlər. Onlar 2,4-diklorfenoksisirkə turşusu (2,4-D) və 6- olan bərkimiş Murashige və Skoog (MS) mühitində embriogen kallus yaratmaq üçün eksplant kimi 'Alamo' düzənlik sortunun yetkin karyopsları (toxumları) və gənc yarpaq seqmentlərindən istifadə etmişlər. benzilaminopurin (BAP). Yetkin kariopslardan istifadənin asanlığı və kallus induksiyası bu qiymətli eksplantları yaratdı. Yarpaqlar eksplant kimi istifadə edildikdə, gənc toxumanın köhnə toxumadan daha yaxşı olması üçün toxuma yaşı ilə bağlı reaksiya gradienti var idi. Somatik embriogenez embriogenik kallilərdən induksiya olunsa da, somatik embrionların birbaşa eksplantların hüceyrələrindən regenerasiyası müşahidə edilməmişdir [24]. Somatik embriogenez 'Alamo'nun gənc çiçəklənmələrindən də bildirilmişdir [25, 26]. Bitkilərin embriogen kallusdan dövri istehsalı bu texnikanı keçid otunun sürətli klonal yayılması üçün əlverişli varianta çevirir. Bununla belə, toxum istehsalı ilə müqayisədə, klonal yayılma olduqca bahalı olacaq və yəqin ki, yalnız ən qiymətli xətlər üçün istifadə ediləcəkdir.

Embriogenik kallus və toxumdan əldə edilən kallus sistemlərinin istifadəsinin bir dezavantajı onların bərpa oluna bilməyənə qədər ümumi istifadə müddətlərinin (aylarla) məhdud olmasıdır. Embrionun həyat qabiliyyətinin uzunömürlülüyü cəmi iki ay ola bildiyi halda, bu yaxınlarda təsvir edilmiş keçid otu mühiti, LP9, kallusun canlılığını və onu altı aydan çox müddətə saxlamaq qabiliyyətini artıraraq onu transformasiya boru kəmərində istifadə etmək üçün daha səmərəli edir. 27]. LP9 birləşdirilmiş N6 makroelementlər və B5 çəmən kallusunun istehsalı və saxlanması və onun bərpası üçün mikroelementlər [27]. Həmçinin, alınan kallus, əvvəllər təsvir edilmiş toxuma kultura sistemlərindən əldə edilən I tip kallusdan [27] ot transformasiyası və regenerasiyasında daha effektiv olan II tip kallus kimi təsnif edilmişdir [25, 26].

Hüceyrə suspenziya mədəniyyətləri

Qatılaşmış mühitdə yetişdirilən kallus hüceyrələri ilə müqayisədə maye süspansiyon kulturalarında hüceyrələr daha sürətli bölünür [28]. Geniş miqyaslı yayılma, mutant seçimi, gen transferi və protoplastın təcrid edilməsi üçün embriogen hüceyrə süspansiyon kulturalarının inkişafı sərfəlidir. Hüceyrə süspansiyonu kulturaları ilk dəfə Bob Konqer qrupu tərəfindən əldə edilmişdir ki, bu da 'Alamo'nun gənc çiçəklərindən eksplant kimi istifadə edir, bu da birbaşa embriogen kallus verə bilər və bu da bitkilərdə bərpa oluna bilər [25]. Bu eyni qrup [26] göstərdi ki, osmotik ilkin müalicədən istifadə 'Alamo' in vitro-kulturalı inflorescences-dən əldə edilən suspenziya kulturalarından somatik embriogenezin başlanmasına və induksiyasına müsbət təsir göstərir. köhnə mədəniyyətlərlə müqayisədə embriogen reaksiya [26]. 'Alamo'nun təkrarlanan toxuma mədəniyyəti seçimindən hazırlanmış HR8 xətti daha yüksək toxum cücərmə qabiliyyətinə malik idi və cücərən toxumlar somatik embriogen kallusun daha yüksək faizinə səbəb oldu [29]. Baxmayaraq ki, bu HR8 xətti və həqiqətən də "Alamo2"dən başqa bütün təkmilləşdirilmiş Conger materialları itirildi, təkmilləşdirilmiş germplazma çox sürətli yayılma nümayiş etdirdi. Bu cür materialların heyvandarlıq proqramlarında böyük istifadəsi olardı [11].

Hüceyrə süspansiyonları da protoplastların izolyasiyası üçün əla başlanğıc materialdır. Protoplastlar hüceyrə birləşməsi və genetik manipulyasiya daxil olmaqla geniş tətbiqlərdə faydalıdır [30]. Bu yaxınlarda Mazarei və b. embriogen kallusdan qurulmuş switchgrass hüceyrə süspansiyon kulturalarından protoplastların təcrid olunduğunu bildirdi [31]. Onlar nümayiş etdirdilər ki, protoplastın izolyasiyasının effektivliyi hüceyrə suspenziyasının növündən çox asılıdır. Hal-hazırda, bizim və digər tədqiqat qruplarımız təkmilləşdirmələr və yüksək məhsuldarlıqlı çox məqsədli genetik mühəndislik və skrininq üçün hüceyrə divarının biologiyasının deşifrə edilməsi də daxil olmaqla, müxtəlif biotexnologiyadan sintetik biologiyaya tətbiqlər üçün hüceyrə süspansiyon mədəniyyətlərindən istifadə edirlər.

Orqanogenez

Orqanogenez bitkilərin dəyişən mühitə uyğunlaşmaq qabiliyyətini göstərir, bu proses differensiallaşmamış hüceyrələrdən orqan genezinə imkan verir [32-34]. Orqanogenezdən keçid otu regenerasiyası həyata keçirilmişdir [24, 35]. Eksplantlara yetkin karyopslar, gənc yarpaq seqmentləri və gənc cücərtilər və auksinlərlə (2,4-D və ya pikloram) əlavə edilmiş MS mühiti daxildir və BAP effektivdir [24, 35]. 2,4-D və BAP-ın birləşməsi, yetkin kariopsislərdən əldə edilən həm embriogen olmayan, həm də embriogenik kalluslarda yüksək regenerasiya tezliyinə səbəb oldu, gənc cücərti eksplantlarından tumurcuqların induksiyası isə pikloram BAP ilə birlikdə istifadə edildikdə daha təsirli oldu [35]. Bütün qabıqdan təmizlənmiş karyopsların örtülməsi ilə yüksək məhsuldarlıqlı kallus induksiyası və yeni, daha yüksək məhsuldar keçid otu cv-lərindən bitki regenerasiyası üçün protokollar. “NSL” və “SL93” optimallaşdırılmışdır [36]. Kükürd turşusu ilə qabığının soyulması, örtükdən əvvəl 4°C-də iki həftə soyudulması və natrium hipoxlorit və etanol ilə sterilizasiya kimi toxumların ilkin müalicəsinin kallusun induksiyasına və sonradan bitki regenerasiyasına əhəmiyyətli təsir göstərdiyi aşkar edilmişdir.

Mikroçoğaltma

Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, toxuma mədəniyyətindən istifadə edərək vegetativ/mikrotəbliğat qiymətli germplazma və həmçinin tədqiqat üçün faydalı ola bilər. Transplantasiya üçün qabaqcıl regenerasiya üsulları işlənib hazırlanmışdır. Keçid otu genotiplərinin səmərəli şəkildə çoxaldılması üçün nodal eksplantlardan, xüsusən də yuxarı düyün altındakı qovşaqlardan istifadə etməklə mikroçoxalma yaradılmışdır [37]. Kulmdakı mövqeyindən asılı olmayaraq, bütün qovşaqlar eyni sürətlə tumurcuq induksiyasını nümayiş etdirdi. Həmçinin bildirilmişdir ki, 12 həftə ərzində tək ana bitkidən 500 bitki regenerasiya edilə bilər [37]. Klonal çoxalma seçilmiş sortlardan əldə edilən bitkilərin sayını artırmaq, seleksiya proqramlarında, genetik transformasiya təcrübələrində istifadə üçün idarə olunan tozlanma tədqiqatlarında, həmçinin in vitro kulturanın əlavə başlanması üçün mühüm eksplant mənbəyi kimi istifadə edilə bilər.

Kommutasiyada regenerasiya qabiliyyəti yüksək dərəcədə genotipdən asılıdır [38, 39]. Dağlıq sortların itaətsizliyi yeni səmərəli regenerasiya sistemlərinin inkişafına zəmanət verdi. Həm aran ('Alamo'), həm də dağlıq ('Trailblazer' və 'Blackwell') sortlarının bütöv tingləri müxtəlif 2,4-D və tidiazuron (TDZ) kombinasiyaları ilə əlavə edilmiş MS mühitində çoxsaylı tumurcuqların bərpası nümayiş etdirdi [38]. Sağlam tinglərdən çoxsaylı tumurcuqların yetişdirilməsinin bu üsulu daha az əmək tələb edir və genotiplər arasında daha sürətli, səmərəli və ardıcıl idi və tumurcuqların böyüdülmüş tumurcuq uclarından əmələ gəldiyi görünür [38]. Hər bir karyopsis genotipə görə fərqli olduğundan, öz-özünə uyğunsuzluq və keçid çəmənliyinə xas olan təbii kənarlaşmaya görə, bu sistemin klonal yayılma üçün faydası yox idi.

Yetişməmiş inflorescences əhəmiyyətli bir mənbədir in vitro mədəniyyət təsisatı. Otun gənc inflorescences kallus induksiyası və bitki regenerasiyası üçün istifadə edilmişdir [40]. Məhsul yığımından, endogen və ya ekzogen göbələk və bakterial çirklənmədən və inflorescences üzərində sterilizasiya məhlullarının toksikliyindən yaranan zərəri azaltmaq üçün axenik mədəniyyətlərdə böyümənin qurulması faydalı ola bilər. Üçün protokol in vitro İstixanada yetişdirilən 'Alamo' əkinçilərindən əldə edilən düyün kulturalarından inflorescences istehsalı bildirilmişdir [41]. Tamamilə inkişaf etmiş sünbülcükləri və son çiçəkləri olan bu çiçəklər, kallusun induksiyası və bitkilərin bərpası üçün axenik eksplantlar kimi istifadə edilmişdir. Orqan-spesifik diferensiallaşdıran toxumaların inkişafı üçün bu yüksək effektiv prosedur keçid otlaqlarında mikromərmi bombardmanından istifadə edərək genetik transformasiya üçün vasitə təmin edir. in vitro- Yetişmiş çiçəklər, həmçinin haploidlərin istehsalı üçün anterlərin aseptik mənbəyini təmin edir və bunun üçün imkanlar açır. in vitro təbii olaraq keçmək çətin olan ekotiplər arasında yetişdirmə təcrübələrini artırmaq üçün gübrələmə üsulları.

Genetik mühəndislik

Genetik transformasiya bitki biologiyasında gen kəşfi və xarakteristikası üçün faydalıdır. Transformasiyanın kommersiya məqsədli istifadəsi yalnız ənənəvi yetişdirmə ilə mümkün olmayan əlamətlərin bitkilərə daxil edilməsi və həmçinin xüsusiyyətlərin inkişaf sürətini artırmaqdır [42]. Transplantasiyada gen mühəndisliyindən istifadə etməklə həll edilməli olan əsas xüsusiyyət hədəflərinə evcilləşdirmə, bitki arxitekturası və xüsusilə hüceyrə divarının bioyanacaq və qiymətli bioməhsullara çevrilməsi üçün azaldılmış itaətsizlik daxildir [6, 43]. Son vaxtlar çəmən otunun bioyanacaq məhsulu kimi istifadəsinə yönəlmiş diqqət ekzotik genləri həddən artıq ifadə etməklə və endogen genlərin ifadəsini yıxaraq əlamətlərin birləşdirilməsi üçün geniş miqyaslı istehsalına və gen mühəndisliyinə (Cədvəl 1 Şəkil 3) gətirib çıxarmışdır [44]. Bu genlər şəkərlənmənin effektivliyini artırmaq, hüceyrə divarının strukturunu və/və ya tərkibini dəyişdirmək, biokütlə məhsuldarlığını artırmaq və ya keçid bitkilərinin böyüməsinə və inkişafına təsir göstərmək üçün ola bilər [6, 9, 44, 45].

Transgenik istehsalın axın diaqramı [Foto krediti: Wegi A. Wuddineh və M Nageswara-Rao].

İlk transgen keçid otu reportyor genindən ibarət ikili markerli plazmiddən istifadə etməklə "Alamo" nun yetişməmiş çiçəklənmədən qaynaqlanan embriogenik kalluslarının bombardmanı yolu ilə əldə edilmişdir. sgfp (yaşıl flüoresan protein GFP) düyü aktin (Akt 1) promouter və seçilə bilən bar qarğıdalı ubiquitin tərəfindən idarə olunan gen (Basta herbisidinə tolerantlıq verir)Ubi1) promotor [46]. Transgen bitkilərin yarpaq toxumaları və tozcuqları GFP nümayiş etdirir və həmçinin Bastaya qarşı dözümlü idi. T1 miras qalmış transgen və qeyri-transgen nəzarət bitkiləri arasındakı xaçlardan alınan şitillər bar transgenlər də Bastaya tolerant idilər [46]. Agrobacterium tumefaciens-vasitəçi transformasiya switchgrass-da həyata keçirilmişdir və keçid çəməninin transformasiyası üçün ən çox yayılmış üsul kimi görünür. Hipervirulent A. tumefaciens olan ikili vektor pDM805 daşıyan AGL1 gərginliyi bar geninin nəzarəti altındadır Ubi1 promouter və uidA tərəfindən idarə olunan gen Akt 1 promotor somatik embrionların ən yüksək transformasiya tezliyini verdiyi dörd fərqli eksplant növünün transformasiyası üçün istifadə edilmişdir [47]. Bu, switchgrass kimi genetik manipulyasiya üçün yeni imkanlar açdı Aqrobakteriya-vasitəçi transformasiya çox vaxt üstünlük verilən üsuldur, çünki o, az sayda transgenlərin inteqrasiyasına üstünlük verir. Somleva və başqaları. [48] ​​eksplant növü və genotipini manipulyasiya etməklə, eksplantın kulturadan əvvəl müalicəsi, infeksiyadan əvvəlki eksplantların yaralanması, inokulyasiya və kokultivasiya zamanı asetosirinqonun əlavə edilməsi və seleksiya yolu ilə keçid otunun transformasiya səmərəliliyinə təsir göstərə bilmişdir. Bu təcrübələr keçid otu transformasiyasını daha müntəzəm etməkdə dəyərli olmuşdur.

"Alamo"nun kariopsislərindən və ya çiçəklərindən əldə edilən embriogenik kalluslar transformasiya edilmişdir. A. tumefaciens pCAMBIA 1301 ikili vektorları ilə birlikdə EHA105 ştammı gusA -dan E. coli) və pCAMBIA 1305.2 (a daşıyan GUSPlus -dan Stafilokok spp.) [49]. Hər iki ikili vektor daşıdığı üçün hiqromisin fosfotransferaza gen (hpt) seçilə bilən marker kimi, transgen bitkilər hiqromisin əlavə edilmiş mühitdə seçilmişdir. T1 Çoxlu nüsxələri olan transgen və qeyri-transgen nəzarət bitkiləri arasındakı xaçlardan alınan bitkilər transgen susdurma nümayiş etdirdi, halbuki yalnız bir əlavəni ehtiva edən xətlər transgeni ifadə etdi [49]. Ən böyük mənbələrdən biri, əgər səmərəliliyin artırılmasının ən böyük mənbəyi olmasa da, genotipdən qaynaqlanır. Genetik transformasiya üçün “Alamo”, “Performer” və “Colony” toxumlarından hazırlanmış yüksək dərəcədə bərpa olunan və transformasiya qabiliyyətinə malik embriogenik kalluslardan istifadə edilmişdir. A. tumefaciens pTOK47 ikili vektorlarını ehtiva edən EHA105 gərginliyi (20 kb daşıyan KpnI olan pTiBo542-dən Ti plazmidinin fraqmenti virB, virCvirG virulent genlər) və pJLU13 (tərkibində pCAMBIA 1301 törəməsi) hptsgfp genlər) [50]. Görünür, "İfaçı" sətirləri, yəqin ki, toxuma mədəniyyəti və transformasiyası üçün ən yaxşı keçiddir. İnfeksiya zamanı vakuumun tətbiqi və birgə becərmə zamanı dehidrasiya, infeksiyadan sonra istirahət və seleksiya mühitində kultivasiyadan əvvəl olduğu kimi transformasiyanın effektivliyini də artırmışdır [50]. Transformasiyanın səmərəliliyi genlərin çatdırılması sisteminin optimallaşdırılması və dəyişdirilmiş hüceyrələrin müvafiq seçilməsi və bərpası ilə yaxşılaşdırıla bilər. Transformasiya səmərəliliyi daha yüksək regenerasiya potensialına malik olan “Alamo” şitillərinin bazal hissələrindən istifadə etməklə artırılmışdır [51]. LP9 mühitində keçid otu çiçəklərindən əldə edilən II tip kallusun genetik transformasiyası [27] 34%-ə qədər transformasiya səmərəliliyi nümayiş etdirdi və həmçinin transgen istehsalına sərf olunan vaxtı bir ay azaldıb [52].

Ot bitkisinin transformasiyası üçün bir sıra prosedurlar yaxşı qurulmuş olsa da, transgen ifadəsinin qiymətləndirilməsi bir neçə həftə çəkə bilər. Gen konstruksiyalarının sınaqdan keçirilməsi üçün tələb olunan bu vaxtı azaltmaq üçün keçid transgen ifadəsi sürətli ekran ola bilər [53]. Cücərən “Alamo” şitillərinin peyvəndi Aqrobakteriya-vasitəçili keçici gen ifadə sistemi (aqroinfiltrasiya) AGL1, C58, EHA105 və GV3101 ştammlarından istifadə edərək optimallaşdırılmışdır, bunlardan AGL1 gen çatdırılmasında ən yüksək effektivliyi göstərmişdir [54]. Başqa bir araşdırmada EHA105-in gen çatdırılmasında LBA4404 və ya GV3101 [51] ilə müqayisədə daha təsirli olduğu bildirildi. Mexanik yaralanma (muncuq döyülməsi, sonikasiya və ya burulğan), səthi aktiv maddənin konsentrasiyası (Break-Thru S 240, Silwet L77 və ya Li700) və vakuumun keçici β-qlükuronidaza ifadəsinə tətbiqi kimi aqroinfiltrasiya şəraitinin təsirlərini öyrənmək üçün təcrübələr aparılmışdır. yığılmış yarpaqlardan və ya şitillərdən istifadə etməklə həyata keçirilir [53, 54]. Muncuq döyülməsi yarpaq səthini yaralasa da, keçici β-qlükuronidaza ifadəsinə heç bir təsir göstərməmişdir [53]. Digər tərəfdən, karborundum ilə sonikasiya və vorteksləmənin istifadəsi keçici ifadəyə müsbət təsir göstərmişdir [54]. Aşağı vakuum tətbiqi altında 'Break-Thru S 240' istifadəsi keçici ifadəni yaxşılaşdırdı [53], Silwet L77 və ya Li700 isə mənfi təsir etdi [54]. Səthi aktiv maddə konsentrasiyası aşağı olduqda vakuum tətbiqini artırmaqla keçici ifadə də gücləndirilmişdir [53]. Kimyəvi maddələrin (L-sistein və ditiotreitol) birləşdirilməsi, istilik stressi və sentrifuqa ilə ayrılması da keçici transgen ifadəsinə təsir etmişdir [54]. Aqroinfiltrasiya keçid otunda həddindən artıq ifadə tədqiqatları üçün sürətli bir analiz təmin edə bilər.

Mazarei və b. [55] “Alamo”nun yarpaqlarından və köklərindən və “Alamo2” klonundan istifadə edərək protoplast sistemini inkişaf etdirmiş, bunun ardınca protoplastlarda polietilen qlikol (PEG) vasitəçiliyi ilə DNT tutulmasının keçici ifadəsi olmuşdur [55]. CaMV 35S promotoru və ya qarğıdalı tərəfindən idarə olunan GUS ubi1 promotordan reportyor gen kimi istifadə edilmişdir. Dağlıq sortlar üçün transformasiya sistemini inkişaf etdirmək üçün “Cave-in-Rock” dağlıq octoploid sortunun tinglik seqmentlərindən kallus induksiya edilmişdir. Bununla belə, kallus regenerasiya üçün uyğun deyildi və yalnız köklər verirdi [51]. Toxuma mədəniyyəti və transformasiya sistemləri “Alamo” və ya onun törəmələri üçün işlənib hazırlandığından, növlər arasında geniş tətbiq oluna bilməsi üçün keçid otu üçün daha çox genotipdən asılı olmayan metodologiyaların yaradılmasına ehtiyac var. Genetik transformasiya üçün düzgün namizəd gen(lər)in seçilməsi və qeyri-transgeniklərlə transgenlərin qiymətləndirilməsi üçün müvafiq protokolların hazırlanması da çox vacibdir [56]. Müşahidə olunan güclü germplazma təsirlərini nəzərə alsaq, bu çətin bir iş ola bilər. Bundan əlavə, 'Alamo' və 'Performer' hər ikisi aqronomik cəhətdən əlverişli aran sortlarıdır.

Monokot transformasiyası üçün geniş çeşiddə promotorlar istifadə edilmişdir [57-59], lakin onlardan yalnız bir neçəsi keçid otunda istifadə edilmişdir [46, 47, 50]. Beləliklə, keçid gen mühəndisliyi üçün promotor testinə və kəşfinə diqqət yetirilmişdir [60, 61]. İki yeni switchgrass ubiquitin geni (PvUbi1PvUbi2) promotorlar sınaqdan keçirilmişdir [60]. Bu iki promotordan istifadə edərək kallusun hissəcik bombardmanı qarğıdalı Ubi1 promotoru ilə müqayisə olunan və 35S promotorundan istifadə ediləndən daha yüksək ifadə nümunələri nümayiş etdirdi [60].

Transgenləri kommutatorda sürətlə yoxlamaq üçün monokot effektiv bitki ifadə vektorları tələb olunur. Belə yeni vektor dəstlərindən biri hədəf genin həddindən artıq ifadəsi və ya RNAi üçün Gateway-a uyğun kasetdən istifadə edən pANIC-dir [62]. Dəstə seçilə bilən marker və görünən marker kasetləri var Aqrobakteriya-vasitəçili transformasiya, eləcə də biolist bombardman [62]. Bu vektorlar xüsusilə keçid otu üçün nəzərdə tutulmuşdur və müntəzəm olaraq bir neçə keçid otu transformasiya laboratoriyalarında istifadə olunur.

Transgen keçiddə bioməhsulların istehsalı

Somleva və b. [63] transgen keçid otunun bioloji parçalana bilən polihidroksialkanoat bioloji əsaslı plastik olan polihidroksibutiratı (PHB) sintez etmək qabiliyyətini nümayiş etdirdi, bu yolla keçid çəmənliyə çevrildi. PHB yarpaqlarda və bütöv əkinlərdə müvafiq olaraq 3,72% və 1,23% (quru çəki) toplanmışdır. Növbəti zavod nəsillərində də PHB istehsalı sabit idi. Bu tədqiqat göstərdi ki, bioloji istehsal üçün keçid çəmənində mürəkkəb bir xüsusiyyətin birləşdirilməsi mümkündür.

Hüceyrə divarının modifikasiyası

Genetik cəhətdən dəyişdirilmiş xammallar gələcək nəsil bioyanacaq istehsalının ssenarilərində mühüm rol oynayır [64]. Liqnin biosintezinin azaldılması liqninin tərkibini və miqdarını liqnoselülozik xammal ehtiyatlarında dəyişmək üçün bariz hədəfə çevirərək, aşağı inadkarlığa və yüksək şəkərləşmə səmərəliliyinə səbəb ola bilər [6]. Hüceyrə divarlarının bioyanacaqlara çevrilməsinin inkar edilməsi, bəlkə də, keçid otu və digər liqnoselülozik bioyanacaq ehtiyatlarının iqtisadi potensialının reallaşdırılmasında ən böyük maneədir [64, 65]. Hal-hazırda, sellülozun effektiv enzimatik parçalanmasını təmin etmək üçün hüceyrə divarının strukturlarının modifikasiyası, liqninin çıxarılması və hemiselülozların deqradasiyası üçün sərt fiziki və ya kimyəvi ilkin müalicə tələb olunur [66]. Liqnoselülozlu xammaldan bioyanacaq istehsalını artırmaq üçün liqninin tərkibinin və miqdarının dəyişdirilməsi aparılır [67, 68].

Fu və b. liqnin tərkibində azalma və transgenik keçid otlarından etanol məhsuldarlığında artım (38%) olduğunu bildirdilər. kofein turşusu O-metiltransferaza (COMT) gen aşağı tənzimlənirdi [69]. Siringil:guaiacyl monolignol nisbəti azaldı və transgen bitkilər eyni vaxtda şəkərləşmə və fermentasiyadan istifadə edərək eyni səviyyələrdə etanol əldə etmək üçün daha az ilkin müalicə və fermentlər tələb etdi. Nəticədə, yemin keyfiyyəti də yüksəldi COMT aşağı tənzimlənən xətlər.

Liqninlərin biosintezində son mərhələ sinnamil spirt dehidrogenaz (CAD) tərəfindən kataliz edilir [70]. CAD çatışmazlığı ligninin strukturunu dəyişdirir, liqninin tərkibini azaldır və otlarda şəkərlənmə səmərəliliyini artırır [71, 72]. Aqrobakteriya-vasitəçi transformasiya keçid çəmənliyində CAD-nin RNT-ləri üçün istifadə edilmişdir [73, 74]. These two studies reported a reduction in lignin content and increased saccharification efficiency in the transgenic lines. Another important enzyme involved in the biosynthesis of lignin is 4-coumarate:coenzyme A ligase (4CL). Xu və b. carried out phylogenetic analysis and gene expression studies, and suggested the involvement of Pv4CL1 in the biosynthesis of lignins [68]. Pv4CL1 down-regulated transgenic switchgrass plants, obtained by Aqrobakteriya-mediated transformation, had normal biomass yields with reduced lignin content and increased saccharification efficiency [68].

In contrast to the above-mentioned approach in which endogenous lignin biosynthesis genes were down-regulated, Hui Shen and colleagues targeted the overexpression of a key transcription factor affecting the expression of many lignin biosynthesis genes [75]. A decrease in recalcitrance in transgenic switchgrass was observed when the repressor, PvMYB4 was overexpressed [75]. The transgenic lines exhibited a drastic reduction in lignin, but no change in the S:G ratio. The plants were also morphologically affected, having more tillers and reduced height. The transgenics had increased cellulose and pectin contents, significantly reduced wall recalcitrance and phenolic fermentation inhibitors, and produced approximately 1.8-fold more ethanol using yeast based simultaneous saccharification and fermentation without pretreatment (Shen və başqaları, in review).

These efforts have highlighted the usefulness of lignin biosynthesis or lignin repressor gene targets for down-regulation, and these genetically engineered plants for reduced lignin may contain higher levels of free monolignols and other phenylpropanoids. The accessibility of cell wall carbohydrates for the production of biofuels is negatively correlated with the amount of lignin present [76, 77]. Decrease in lignin content or alteration in its composition alleviated the digestibility of the cellulose and hemicelluloses. This led to enhanced saccharification efficiency, reduction in the severity of the pretreatment, decrease in enzyme requirements and increase in the energy available to microorganisms for breaking down the carbohydrates [69, 76, 78]. To change the lignin content of the biomass, dwarfing might also be of use as it shifts the biomass allocation from the stem to the leaves [44]. Reduced lignin content during the vegetative phase in switchgrass might also delay flowering, which could also increase vegetative biomass [44, 79].

In is unclear whether the lignin biosynthetic pathway is perfectly conserved between widely-studied model species and switchgrass. There might be many more genes and transcription factors that have not been discovered in switchgrass and be manipulated for improved biofuel production. Other cell wall targets include cellulose, reducing the crystallinity of cellulose, hemicellulose, pectin, and their interactions with lignin. Research on the expression of cellulases, bitkilərdə, under extreme conditions and its thermal stability also needs to be carried out. The cost of lignocellulosic ethanol production may also be reduced by genetically modifying switchgrass to produce the enzymes that are required during fermentation. Devising strategies for recycling these enzymes will also lead to reduction in biofuel production cost.

Altering switchgrass development: microRNAs and other targets

Improvement in the rate of saccharification efficiency, which is inhibited by the complex structure of the plant cell wall, is an important objective in developing a competent and lucrative biofuel industry [80, 81]. Biomass yield could be enhanced by manipulating microRNAs (miRNAs) that regulate transcription factors controlling growth and development in plants [69, 81–84]. The maize Corngrass1 (Cg1) gene, which produces a miR156, targets the SQUAMOSA PROMOTER BINDING LIKE (SPL) family and reduces lignification while promoting juvenile characteristics in plants [85, 86]. To study how juvenile characters improve the biofuel potential of switchgrass, the Cg1 gene was constitutively overexpressed in ‘Alamo’ [81]. A second miR156 study overexpressed the switchgrass PvmiR156 in switchgrass, [82]. In both studies, the transgenic plants had delayed flowering, variant morphology, and improved sugar release. Transgene expression levels were sufficient to allow three morphology categories to be observed. Low expressers resembled non-transgenic switchgrass. Moderate expression levels rendered plants that were shorter and with more tillers. The plants had delayed flowering, which could be useful in bioconfinement of transgenes. High levels of miR156 accumulation induced severe dwarfism and reduced biomass accumulation [81, 82]. Thus, targeted overexpression of miR156 could not only make biofuel production more efficient but allow the production of switchgrass that is more suitable for production. These studies highlight the potential utility of this approach for the domestication of new switchgrass cultivars, and the lack or delay in flowering will have important implications for the limitation or prevention of transgene flow into native/wild relatives or non-transgenic agronomic plantings of switchgrass. Recently, it was demonstrated that the expression levels of miR156 and miR162 could be changed under drought conditions in switchgrass [87].

Genetic engineering can also be used to increase the biomass by modifying the plant growth regulators such as increasing the biosynthesis of gibberellins [88] to improve the growth and increase the biomass in switchgrass. Thus, early transgenic research in switchgrass has revealed that multiple targets for improvement have been reached. It appears that there could be a tradeoff between sugar release and plant growth, but results are promising with regards to increasing liters per hectare. To date, there has been no transgene stacking in switchgrass, which should be pursued. For example, it makes sense to hybridize miRI56 plants with those with greatly reduced lignin, such as MYB4 overexpressers. In addition, tissue-specific and inducible expression of transgenes will also be valuable in decreasing off-target effects. Targeted expression is particularly needed for genes, such as those that are master regulators, to diminish or better control pleiotropic effects. The transgenic studies to date with switchgrass show the power of the technology, which is becoming increasingly routine.


Advanced Biology

Advanced Biology is a peer-reviewed, interdisciplinary and international journal that published its first issue in 2017 (under the former name of the journal, Advanced Biosystems). The journal has been mainly focusing on applied research and technologies that enhance and harness biological systems. To further develop the journal we have decided to expand the scope to cover all aspects of biology. Biology is understood in its broadest sense as life sciences research from multiple disciplines including but not limited to biology, chemistry, physics, medical science and computer science applied to biologically relevant systems at all scales ranging from molecular to whole organism level and beyond. The journal provides a forum for significant novel findings of wide biological relevance from both basic as well as applied research with a particular focus on – but not limited to – the following areas:

  • Cell and molecular biology, including aging, transcription, translation, DNA replication, biochemistry, circadian biology, metabolic pathways, host-pathogen interactions
  • Sistem biologiyası, including “omics” studies (genomics, proteomics, metabolomics) and bioinformatics
  • Synthetic biology, including artificial organisms, molecular machines, genetic engineering
  • Tissue engineering and regenerative medicine, including stem cells, artificial organs, organoids, immunoengineering
  • Biotechnology and bioengineering, including DNA and protein engineering, metabolic engineering, industrial microorganisms, biocatalysis and biofuels
  • Immunology, including adaptive and innate immunity, molecular immunology and signaling, allergy and inflammation
  • Mikrobiologiya, covering both prokaryotic (bacteria, archaea) and eukaryotic (fungi, protists, microalgae) microorganisms as well as viruses and prions
  • Structural biology, covering the molecular structure of biological macromolecules (proteins, DNA, RNA, lipids)
  • Neuroscience, including cell and molecular neuroscience, neuroengineering, developmental neuroscience, neurophysiology
  • Cancer, including metastasis, molecular aspects of cancer biology, biomarkers
  • Developmental biology, including regeneration and asexual reproduction
  • Genetics and epigenetics
  • Ecosystems and evolutionary biology

Currently 12 issues per year.

Readership

Life scientists working in all areas of biology from both academia and industry.

Açar sözlər

artificial organisms, molecular machines, viral engineering, DNA synthesis, bioinspired/biomimetic systems, biophysics, bioelectronics, nano and microfluidics, DNA and protein engineering, metabolic engineering, industrial microorganisms, biocatalysis, biofuels, genetically modified organisms, genetics, biochemistry, cellular engineering, cellular programming, stem cells, artificial organs, neuroengineering, pharmaceuticals, vaccines, gene therapy, biomarkers, personalized medicine, drug delivery, immunology, diagnostics, microbiomics, genomics, proteomics, metabolomics, bioinformatics


Just how ‘green’ are biofuels? Why turning crops into energy might not be a worthwhile climate change solution

Credit: M Photography/Daryl Marshke

First-generation biofuels have been around for a long time. In fact, in the US, ethanol has been used as a fuel without interruption since 1933. In 1900, Rudolf Diesel (inventor of the Diesel Engine) demonstrated a model engine that ran entirely on peanut oil. Biofuels have received increased attention over the last two decades, as societies around the world strive to diversify their energy portfolios and address environmental degradation concerns.

There is a clear interest in the production of biofuels in many countries around the world. But what exactly are ethanol and biodiesel? What are the implications of their production and consumption? And where does Canada stand with its biofuel policies?

Ethanol

Ethanol is an alcohol that can be produced from feedstock in several ways, the most common being fermentation. Typically, ethanol is blended with gasoline to produce a fuel that has environmental advantages (burns cleaner) compared to gasoline alone. However, ethanol does have a lower energy density than gasoline. Specifically, the energy per unit volume of ethanol is 34% lower than that of gasoline. To get a better idea of this, you would need 1.5 gallons of ethanol to produce the same amount of energy from 1 gallon of gasoline. Despite this, ethanol does have a higher octane level than gasoline. This means that as the energy contained in ethanol is converted into mechanical energy (the energy used to move a vehicle by combustion), less energy from ethanol is wasted compared to gasoline.

In Canada, most gasoline-powered vehicles can run on a blend consisting of gasoline and up to 10% ethanol. According to the Renewable Fuels Regulations, fuel imported or produced in Canada must have an average renewable fuel content of at least 5% based on the volume of gasoline produced or imported, and at least 2% based on the volume of diesel fuel and heating distillate oil produced or imported.

According to the Renewable Fuels Association, the US is the world leader in the production, consumption, and export of ethanol (54% of total global production), and Brazil and Canada are the top two destinations of US ethanol exports. The top 10 world ethanol producers are presented in Figure 1.

Figure 1. Global Fuel Ethanol Production by Country in 2019
Source: 2020 Ethanol Industry Outlook p. 7

Biodiesel

Biodiesel is a diesel fuel substitute that can be used in diesel engines. It is typically made from renewable materials that are transformed into biodiesel through a process called transesterification, a chemical process that converts fats and oils into fatty acid methyl esters. The energy density of biodiesel is comparable to that of gasoline and petrodiesel. The most common biodiesel-petrodiesel blends are:

  • B2: 2% biodiesel mixed with 98% diesel
  • B5: 5% biodiesel mixed with 95% diesel
  • B10: 10% biodiesel mixed with 90% diesel
  • B20: 20% biodiesel mixed with 80% diesel
  • B100: 100% biodiesel with no diesel content

B20 is the best blend rate because it burns cleaner than petrodiesel and has better flow properties at low temperatures than pure biodiesel, which would clump up in the cold. While B100 is not a commonly used fuel, its energy output is 8% less than pure diesel, whereas the energy difference is virtually unnoticeable with B5 or lower.

Implications of biofuel production

Biofuel production and consumption are not without their critics, practically all of its supposed benefits have been called into question. To understand why, it’s necessary to look at how biofuels are produced. The logical starting point is with the world’s largest producer.

In the US, an average of 38 million acres of land a year (15.4 million ha), an area larger than the state of Illinois (¼ the size of Saskatchewan), are cultivated with corn to produce ethanol. The Renewable Fuel Standard (RFS), an energy policy intended to diversify energy sources and reduce carbon emissions, has the goal that by 2022, 35 billion gallons (160 billion liters) of ethanol-equivalent biofuels and 1 billion gallons of biomass-based diesel must be consumed in the US. This target is unlikely to be met. Even if that target was met, it is unlikely to reduce greenhouse gas emissions because reductions depend on how biofuels are produced.

A large amount of fossil fuel is required to produce, grow, harvest, transport, and process a gallon of ethanol, eating up much of the difference in carbon emissions between ethanol and gasoline alone. A 2009 study by the Congressional Budget Office found that “the demand for corn for ethanol production, along with other factors, exerted upward pressure on corn prices, which rose by more than 50 percent between April 2007 and April 2008. Rising demand for corn also increased the demand for cropland and the price of animal feed.” In the US, producing ethanol has had unintended effects on feed price ( and therefore also on meat price for consumers) and sends signals to farmers to produce corn (competing with the production of other crops). These issues persist today.

What is the biofuel picture in Canada?

The Canadian government has proposed rules for its Clean Fuel Standard (CFS), which are now in a 75-day comment period. If adopted they would come into force in 2022. The objective of the CFS “is to achieve 30 million tons of annual reductions in greenhouse gas emissions by 2030 … reducing national emissions by 30% below 2005 levels by 2030.” In 2005, Canada emitted 729 megatons of carbon dioxide equivalent (Mt CO2 eq).

The table below provides an overview of existing biofuel mandates in Canada.

Yurisdiksiya Ethanol Mandate (Year enacted) Biodiesel Mandate (Year enacted)
Kanada 5.0% (2010) 2.0% (2011)
Ontario 5.0% (2007) 4.0% (2017)
Manitoba 8.5% (2008) 2.0% (2009)
Saskatchewan 7.5% (2007) 2.0% (2012)
Alberta 5.0% (2011) 2.0% (2011)
British Columbia 5.0% (2010) 2.0% (2010)
Source: CEC, 2016 p.10

With the pursuit of biofuel policies, it is thought they will provide a practical opportunity to achieve multiple objectives: reduce GHG emissions, increase economic opportunities for rural communities, improve air quality, and accelerate the development of next-generation biofuels.


Mechanisms of Salinity Tolerance

Rana Munns and Mark Tester
Cild. 59, 2008

Mücərrəd

The physiological and molecular mechanisms of tolerance to osmotic and ionic components of salinity stress are reviewed at the cellular, organ, and whole-plant level. Plant growth responds to salinity in two phases: a rapid, osmotic phase that inhibits . Daha çox oxu

Figure 1: Diversity in the salt tolerance of various species, shown as increases in shoot dry matter after growth in solution or sand culture containing NaCl for at least 3 weeks, relative to plant gr.

Figure 2: The growth response to salinity stress occurs in two phases: a rapid response to the increase in external osmotic pressure (the osmotic phase), and a slower response due to the accumulation .

Figure 3: The thermodynamics and mechanisms of Na+ and Cl− transport at the soil-root and stelar cell–xylem vessel interfaces in roots. Indicative cytosolic pH, ion concentrations, and voltages are de.

Figure 4: Differences in vacuolar concentrations of Na+ across roots of transpiring wheat plants growing in 150 mM NaCl. Concentrations were measured by quantitative and calibrated X-ray microanalysis.

Figure 5: Hypothetical relationships between salinity tolerance and leaf Na+ concentration for three different species, denoted by a, b, and c for rice, durum wheat, and barley. Within most species, t.

Figure 6: Relationships measured between salinity tolerance (biomass in salt as a % of biomass in control conditions) and leaf Na+ concentration in different wheat species. (a) Negative relationship f.


Plant and Microbial Biosciences Program

Faculty and students in the Plant and Microbial Biosciences (PMB) Program use a variety of experimental organisms to address fundamental and applied biological problems. Research on plant and microbial systems contributes to our understanding of the natural world and drives innovation in biomedicine, agriculture, and energy production.

The PMB Program trains world-class biologists who employ plants and microbes as their model systems and use state-of-the-art techniques and approaches across disciplines. The success of PMB graduates in obtaining postdoctoral fellowships, professorships at leading academic institutions, and leadership positions in the private sector attests to the inherent strengths of this philosophy.

PMB is fully integrated with other graduate programs in the Division of Biology and Biomedical Sciences (DBBS). PMB faculty maintain close ties with the Molecular Microbiology and Pathogenesis, Genetics and Genomics, Biochemistry, and Molecular Cell Biology programs. Students in PMB receive training not only in plant and microbial systems, but also in imaging, biochemistry, cell biology, genetics, systems biology, geochemistry, molecular evolution, and ecology, from leaders in the field.


Harnessing Yarrowia lipolytica lipogenesis to create a platform for lipid and biofuel production

Economic feasibility of biosynthetic fuel and chemical production hinges upon harnessing metabolism to achieve high titre and yield. Here we report a thorough genotypic and phenotypic optimization of an oleaginous organism to create a strain with significant lipogenesis capability. Specifically, we rewire Yarrowia lipolytica's native metabolism for superior de novo lipogenesis by coupling combinatorial multiplexing of lipogenesis targets with phenotypic induction. We further complete direct conversion of lipid content into biodiesel. Tri-level metabolic control results in saturated cells containing upwards of 90% lipid content and titres exceeding 25 g l(-1) lipids, which represents a 60-fold improvement over parental strain and conditions. Through this rewiring effort, we advance fundamental understanding of lipogenesis, demonstrate non-canonical environmental and intracellular stimuli and uncouple lipogenesis from nitrogen starvation. The high titres and carbon-source independent nature of this lipogenesis in Y. lipolytica highlight the potential of this organism as a platform for efficient oleochemical production.


Tracks in the Graduate Program

Students in the Plant Biology Program may choose from four research and curriculum tracks:

  1. Molecular and Cellular Biology/Genomics
  2. Plant Breeding and Genomics
  3. Horticulture and Plant Technology
  4. Plant Pathology
  5. Natural Products and Human Health

Specific curricular requirements for each student are developed within the general program requirements by his or her committee, with approval by the track coordinator and program director. The tracks are interwoven in that members of the graduate faculty may be members of more than one track and students are encouraged to take courses in more than one track area.

Students in the molecular and cellular biology/genomics track may specialize in biocontrol of pests and pathogens, biofuels and bioenergy, biotechnology and crop improvements, biotic and abiotic stress/interactions with the environment, circadian control, genetic control of plant development, metabolomics/primary and secondary metabolism, natural products and human health, programmed cell death/senescence and fruit ripening, plant diversity/anatomy/evolution and biogeography, interactiosn with pathogenic and symbiotic microbes, plastid molecular genetics, structural/functional and computational genomics, transcriptional and post-trnacsriptional gene regulation.

Students in the plant breeding and genomics track have the opportunity to study a broad range of topics related to plant breeding from cultivar development, tissue culture, gene mapping, biochemical mechanisms to the latest discoveries in plant genomics and bioinformatics. The plant breeding faculty conduct research on an array of differenct traits, including but not limited to, higher quality and greater yield of fruit, fiber and other plant consituents, resistance to biotic stresses caused by disease and insect pests, resistance to abiotic stresses such as heat and drought, and specialty products such as novel fatty acids, proteins and other plant metabolites.Students will gain experience on a diverse range of vegetable, horticultural and pomological crops including specialty crops like cranberry, blueberry, hazlenuts, dogwoods, hollies, turgrasses, peaches, apples, tomatoes and biofuels. Students will gain experience with both traditional and DNA-based marker-facilitated selection schemes. Studens will gain credentials that are desired to directo or lead plant breeding research at private companies or public institutions. Work experience on the various plant breeding projects often is available for students majoring in plant breeding.

The horticulture and plant technology track focuses on agricultural biotechnology, genetics, plant physiology, weed science, plant systematic, plant-microbe interactions, turfgrass science, crop science in agronomic crops and biofuels, horticultural science in fruits, vegetables, flowers and tree crops.

Among the issues that students in the plant pathology track may address are host/pathogen interactions, epidemiology and control of plant disease, plant virology, bacteriology, mycoplasmology, mycology, molecular biology of plant pathogenic or endophytic microorganisms, and biotechnology.

In the Natural Products and Human Health track, students are to study basics mechanisms of Natural products, mode of action and toxicity. Discover, identify, and characterize bioactive from plant and fungi through multidisciplinary approaches. Develop novel uses for natural products as medicines, foods, cosmetics, dietary supplements and crop protection agent.

The list below categorizes each faculty according to their respective track(s). Names in bold indicate track coordinators.