معلومة

7.15 ب: علم الجينوم والوقود الحيوي - علم الأحياء

7.15 ب: علم الجينوم والوقود الحيوي - علم الأحياء


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.

أهداف التعلم

  • شرح عملية إنشاء أنواع جديدة من الوقود الحيوي باستخدام علم الجينوم الميكروبي

يتم استخدام معرفة جينوم الكائنات الحية الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الرئيسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب والمنتجات النباتية الأخرى ، مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات هي موارد متجددة ، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. يعد عالم الميكروبات أحد أكبر الموارد للجينات التي تشفر إنزيمات جديدة وتنتج مركبات عضوية جديدة ، ولا تزال غير مستغلة إلى حد كبير.

لتحليل الكتلة الحيوية الميكروبية ، تم بالفعل تحديد العديد من المرشحين. وتشمل هذه الأنواع كلوستريديا لقدرتها على تحلل السليلوز ، والفطريات التي تعبر عن الجينات المرتبطة بتحلل أكثر السمات تمردًا لجدار الخلية النباتية ، واللجنين ، و "الصمغ" الفينولي الذي يشبع النبات بالسلامة الهيكلية ومقاومة الآفات. فطر العفن الأبيض Phanerochaete chrysosporium تنتج إنزيمات مؤكسدة فريدة من نوعها خارج الخلية تعمل على تحلل اللجنين بشكل فعال من خلال الوصول إلى المصفوفة الواقية المحيطة بألياف السليلوز الدقيقة في جدران الخلايا النباتية.

فطر آخر ، الخميرة نصب بيشيا، يخمر الزيلوز المكون من خمسة كربون "سكر الخشب" المتوفر في الأخشاب الصلبة وبقايا الحصاد الزراعي. بيتشياكشف الجينوم المتسلسل مؤخرًا عن رؤى حول المسارات الأيضية المسؤولة عن هذه العملية ، وتوجيه الجهود لتحسين هذه القدرة في سلالات الإنتاج التجاري. تعد هندسة المسارات بإنتاج مجموعة متنوعة من الكائنات الحية قادرة على تخمير الذخيرة الكاملة من السكريات المشتقة من السليلوز والهيميسليلوز وتحمل تركيزات أعلى من الإيثانول لتحسين عائدات الوقود. على سبيل المثال ، أسفرت محتويات المعى الخلفي للمفاعل الحيوي الطبيعي ، النمل الأبيض ، عن أكثر من 500 جين متعلق بالتفكيك الأنزيمي للسليلوز والهيميسليلوز.

النقاط الرئيسية

  • يمكن للكائنات الدقيقة ترميز إنزيمات جديدة وإنتاج مركبات عضوية جديدة يمكن استخدامها كوقود حيوي.
  • التحليل الجينومي للفطر بيتشيا سيسمح بتحسين استخدامه في تخمير وقود الإيثانول.
  • وجد تحليل الميكروبات في المعى الخلفي للنمل الأبيض 500 جين قد تكون مفيدة في التدمير الأنزيمي للسليلوز.
  • تم استخدام العلامات الجينية في تحليل الطب الشرعي ، كما حدث في عام 2001 عندما استخدم مكتب التحقيقات الفيدرالي علم الجينوم الميكروبي لتحديد سلالة معينة من الجمرة الخبيثة تم العثور عليها في عدة قطع من البريد.
  • يُستخدم علم الجينوم في الزراعة لتطوير نباتات ذات سمات مرغوبة أكثر ، مثل مقاومة الجفاف والأمراض.

الشروط الاساسية

  • مورد قابل للتجديد: مورد طبيعي يتم تجديده بالعمليات الطبيعية بمعدل مماثل لمعدل استهلاكه من قبل البشر أو المستخدمين الآخرين
  • وقود حيوي: أي وقود يتم الحصول عليه من مورد بيولوجي متجدد

17.4 تطبيق علم الجينوم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

أدى إدخال تسلسل الحمض النووي ومشاريع تسلسل الجينوم الكامل ، ولا سيما مشروع الجينوم البشري ، إلى توسيع نطاق تطبيق معلومات تسلسل الحمض النووي. تستخدم العديد من المجالات ، مثل علم الجينوميات ، وعلم الجينوم الصيدلاني ، وعلم جينوم الميتوكوندريا علم الجينوم. إن فهم وإيجاد علاجات للأمراض هو التطبيق الأكثر شيوعًا لعلم الجينوم.

توقع مخاطر المرض على المستوى الفردي

يتضمن التنبؤ بمخاطر المرض فحص الأفراد الأصحاء حاليًا عن طريق تحليل الجينوم على المستوى الفردي. يمكن لأخصائيي الرعاية الصحية التوصية بالتدخل في تغييرات نمط الحياة والأدوية قبل ظهور المرض. ومع ذلك ، فإن هذا النهج هو الأكثر قابلية للتطبيق عندما تكمن المشكلة في عيب جين واحد. مثل هذه العيوب لا تمثل سوى ما يقرب من 5 في المائة من الأمراض في البلدان المتقدمة. معظم الأمراض الشائعة ، مثل أمراض القلب ، متعددة العوامل أو متعددة الجينات ، وهي خاصية نمطية تتضمن جينين أو أكثر ، وتتضمن أيضًا عوامل بيئية مثل النظام الغذائي. في أبريل 2010 ، نشر العلماء في جامعة ستانفورد تحليل الجينوم لفرد سليم (ستيفن كويك ، عالم في جامعة ستانفورد ، الذي حصل على تسلسل الجينوم الخاص به. وتنبأ التحليل بميله إلى الإصابة بأمراض مختلفة. وأجرى الفريق الطبي تقييمًا للمخاطر لـ تحليل النسبة المئوية لمخاطر Quake لـ 55 حالة طبية مختلفة.وجد الفريق طفرة جينية نادرة ، والتي أظهرت أنه معرض لخطر الإصابة بنوبة قلبية مفاجئة. وتوقعت النتائج أيضًا أن Quake معرض لخطر الإصابة بسرطان البروستات بنسبة 23٪ و 1.4٪ خطر الإصابة بمرض الزهايمر.استخدم العلماء قواعد البيانات والعديد من المنشورات لتحليل البيانات الجينومية.على الرغم من أن التسلسل الجيني أصبح أكثر تكلفة وأصبحت الأدوات التحليلية أكثر موثوقية ، لا يزال يتعين على الباحثين معالجة القضايا الأخلاقية المحيطة بالتحليل الجينومي على مستوى السكان.

اتصال مرئي

في عام 2011 ، أوصت فرقة العمل المعنية بالخدمات الوقائية بالولايات المتحدة بعدم استخدام اختبار المستضد البروستاتي النوعي لفحص الرجال الأصحاء للكشف عن سرطان البروستاتا. تستند توصيتهم إلى دليل على أن الفحص لا يقلل من خطر الوفاة بسرطان البروستاتا. غالبًا ما يتطور سرطان البروستاتا ببطء شديد ولا يسبب مشاكل ، في حين أن علاج السرطان يمكن أن يكون له آثار جانبية خطيرة. ال PCA3 يعد الاختبار أكثر دقة ، ولكن قد يؤدي الفحص إلى إصابة الرجال الذين لم يتضرروا من السرطان نفسه بآثار جانبية من العلاج. ماذا تعتقد؟ هل يجب أن يخضع جميع الرجال الأصحاء لفحص سرطان البروستاتا باستخدام PCA3 أو اختبار PSA؟ هل يجب على الأشخاص عمومًا إجراء فحوصات لمعرفة ما إذا كان لديهم خطر وراثي للإصابة بالسرطان أو بأمراض أخرى؟

علم الصيدلة الجينومي والسموم

علم الصيدلة الجيني ، أو علم الوراثة السمي ، يتضمن تقييم فعالية الدواء وسلامته على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد. يمكننا دراسة الاستجابات الجينية للأدوية باستخدام حيوانات التجارب (مثل فئران التجارب أو الفئران) أو الخلايا الحية في المختبر قبل الشروع في الدراسات مع البشر. يمكن أن توفر دراسة التغييرات في التعبير الجيني معلومات حول ملف تعريف النسخ في وجود الدواء ، والتي يمكننا استخدامها كمؤشر مبكر على احتمالية التأثيرات السامة. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي الجينات المشاركة في النمو الخلوي وموت الخلايا المتحكم فيه ، عند الاضطراب ، إلى نمو الخلايا السرطانية. يمكن أن تساعد الدراسات على مستوى الجينوم أيضًا في العثور على جينات جديدة متورطة في سمية الأدوية. يمكن للمهنيين الطبيين استخدام معلومات تسلسل الجينوم الشخصي لوصف الأدوية الأكثر فعالية والأقل سمية على أساس التركيب الجيني للمريض الفردي. قد لا تكون التواقيع الجينية دقيقة تمامًا ، ولكن يمكن للمهنيين الطبيين اختبارها بشكل أكبر قبل ظهور الأعراض المرضية.

الجينوم الميكروبي: علم الجينوميات

تقليديا ، قام العلماء بتدريس علم الأحياء الدقيقة مع وجهة نظر أنه من الأفضل دراسة الكائنات الحية الدقيقة في ظل ظروف الثقافة النقية. يتضمن ذلك عزل نوع خلية واحدة وزراعته في المختبر. نظرًا لأن الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تمر عبر عدة أجيال في غضون ساعات ، فإن ملفات تعريف التعبير الجيني الخاصة بها تتكيف مع بيئة المختبر الجديدة بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الغالبية العظمى من الأنواع البكتيرية تقاوم الاستزراع بمعزل عن غيرها. لا تعيش معظم الكائنات الحية الدقيقة ككيانات منعزلة ، بل تعيش في مجتمعات ميكروبية أو أغشية حيوية. لكل هذه الأسباب ، فإن الثقافة النقية ليست دائمًا أفضل طريقة لدراسة الكائنات الحية الدقيقة. Metagenomics هي دراسة الجينومات الجماعية لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في مكانة بيئية. يمكن استخدام علم الميتاجينوميات لتحديد الأنواع الجديدة بسرعة أكبر ولتحليل تأثير الملوثات على البيئة (الشكل 17.16).

علم الجينوم الميكروبي: إنشاء وقود حيوي جديد

يتم استخدام معرفة جينوم الكائنات الحية الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الرئيسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب والمنتجات النباتية الأخرى ، مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات هي موارد متجددة ، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. يعد عالم الميكروبات أحد أكبر الموارد للجينات التي تشفر إنزيمات جديدة وتنتج مركبات عضوية جديدة ، ولا تزال غير مستغلة إلى حد كبير. تُستخدم الكائنات الدقيقة لإنتاج منتجات ، مثل الإنزيمات المستخدمة في البحث ، والمضادات الحيوية ، وآليات أخرى مضادة للميكروبات. يساعد علم الجينوم الميكروبي في تطوير أدوات التشخيص واللقاحات المحسّنة وعلاجات الأمراض الجديدة وتقنيات التنظيف البيئي المتقدمة.

جينوم الميتوكوندريا

الميتوكوندريا هي عضيات داخل الخلايا تحتوي على الحمض النووي الخاص بها. يتطور الحمض النووي للميتوكوندريا بمعدل سريع وغالبًا ما يستخدمه العلماء لدراسة العلاقات التطورية. ميزة أخرى تجعل دراسة جينوم الميتوكوندريا مثيرة للاهتمام هي أن الحمض النووي للميتوكوندريا في معظم الكائنات متعددة الخلايا يمر من الأم أثناء عملية الإخصاب. لهذا السبب ، غالبًا ما يستخدم العلماء جينوم الميتوكوندريا لتتبع علم الأنساب.

استخدم الخبراء المعلومات والقرائن من عينات الحمض النووي في مسرح الجريمة كدليل في قضايا المحاكم ، واستخدموا العلامات الجينية في تحليل الطب الشرعي. أصبح التحليل الجينومي مفيدًا أيضًا في هذا المجال. صدر أول منشور يعرض أول استخدام لعلم الجينوم في الطب الشرعي في عام 2001. وكانت محاولة تعاونية بين مؤسسات البحث الأكاديمي ومكتب التحقيقات الفيدرالي لحل الحالات الغامضة للجمرة الخبيثة التي تم الإبلاغ عنها عبر خدمة البريد الأمريكية. باستخدام علم الجينوم الميكروبي ، قرر الباحثون أن الجاني استخدم سلالة معينة من الجمرة الخبيثة في جميع الرسائل البريدية.

علم الجينوم في الزراعة

يمكن لعلم الجينوم أن يقلل التجارب والإخفاقات التي ينطوي عليها البحث العلمي إلى حد معين ، مما قد يحسن نوعية وكمية غلة المحاصيل الزراعية. يساعد ربط السمات بالجينات أو التوقيعات الجينية على تحسين تربية المحاصيل لتوليد أنواع هجينة تتمتع بأكثر الصفات المرغوبة. يستخدم العلماء البيانات الجينومية لتحديد السمات المرغوبة ، ثم ينقلون تلك السمات إلى كائن حي مختلف. يكتشف الباحثون كيف يمكن لعلم الجينوم أن يحسن نوعية الإنتاج الزراعي وكميته. على سبيل المثال ، يمكن للعلماء استخدام السمات المرغوبة لإنشاء منتج مفيد أو تحسين منتج موجود ، مثل جعل المحاصيل الحساسة للجفاف أكثر تحملاً لموسم الجفاف.


علم الجينوم التركيبي وتطبيقات البيولوجيا التركيبية بين الآمال والاهتمامات

تعد الكائنات الحية والأنظمة البيولوجية الجديدة المصممة لتلبية احتياجات الإنسان من بين أهداف علم الجينوم التركيبي والبيولوجيا التركيبية. تسعى البيولوجيا التركيبية إلى نمذجة وبناء المكونات والوظائف والكائنات البيولوجية غير الموجودة في الطبيعة أو إعادة تصميم النظم البيولوجية الحالية لأداء وظائف جديدة. من ناحية أخرى ، يشمل علم الجينوم التركيبي تقنيات لتوليد جينومات كاملة مركبة كيميائيًا أو أجزاء أكبر من الجينوم ، مما يسمح لهندسة عدد لا يحصى من التغييرات في المادة الوراثية للكائنات الحية. وهكذا أصبحت الوظائف الهندسية المعقدة أو الكائنات الحية الجديدة في البيولوجيا التركيبية تعتمد بشكل تدريجي على الجينوميات التركيبية وتتقارب معها. في حين أنه من المتوقع أن تقدم التطبيقات من كلا المجالين فوائد كبيرة من خلال صنع عقاقير جديدة محتملة أو مواد كيميائية متجددة أو طاقة نظيفة ، فقد أدت أيضًا إلى إثارة مخاوف بشأن السلامة الجديدة والمخاطر البيئية والاجتماعية والاقتصادية - مما أثار نقاشًا استقطابيًا متزايدًا. هنا نعتزم تقديم لمحة عامة عن التقدم الأخير في التطبيقات الطبية الحيوية والتكنولوجيا الحيوية للجينوميات التركيبية والبيولوجيا التركيبية بالإضافة إلى الحجج والأدلة المتعلقة بفوائدها المحتملة ومخاطرها وآثارها على الإدارة.

الكلمات الدالة: التطبيقات الفوائد الوقود الحيوي الطب الحيوي المخاطر البيئية علم الأحياء التركيبي. علم الجينوم التركيبي.

الأرقام

علم الجينوم التركيبي والبيولوجيا التركيبية ...

علم الجينوم التركيبي وتطبيقات البيولوجيا التركيبية في الطب الحيوي والصحة. أ. الخلية "الاصطناعية" ...

مناهج البيولوجيا التركيبية للبيئة ...

مناهج البيولوجيا التركيبية للتطبيقات البيئية. أ. مصفوفة مستشعر حيوي للخلية الكاملة مُعدَّلة بالتردد ...

أجيال مختلفة من الوقود الحيوي و ...

أجيال مختلفة من الوقود الحيوي ودورات الكربون الخاصة بهم.

مناهج تتضمن مفاهيم البيولوجيا التركيبية ...

مناهج تتضمن مفاهيم البيولوجيا التركيبية لتوليد الوقود الحيوي. أ . مسار اصطناعي ...


أدوات التكنولوجيا الحيوية للتحسين الوراثي

زراعة الأنسجة

مطلوب خلية عشبية فعالة وزراعة الأنسجة لإنتاج النباتات المعدلة وراثيا وكذلك التكاثر الخضري. قبل عام 1991 ، تم إجراء القليل من الأبحاث حول زراعة أنسجة التبديل. أدى بدء برنامج تطوير المواد الأولية للطاقة الحيوية في الولايات المتحدة إلى تعزيز فرص التحسين طويل الأمد للعشب المحول [11]. وهكذا ، في تسعينيات القرن الماضي ، حفز هذا البرنامج البحث الذي يستكشف أنواع المستكشفات ، وزراعة الأنسجة ، وتجديد عشبة التبديل بهدف نهائي يتمثل في زيادة قاعدة الموارد لتطوير الخطوط المعدلة وراثيًا. Switchgrass قابل للتجديد بعد التطور الجنيني الجسدي وتكوين الأعضاء.

الكالس الجنيني

تم استخدام التطور الجنيني الجسدي من قبل Denchev and Conger [24] اللذين أبلغا عن تجديد النبتة عالية التردد. لقد استخدموا الكاريوبس الناضج (البذور) وشرائح الأوراق الصغيرة من صنف الأراضي المنخفضة "ألامو" كإكسبلنتس لإنتاج الكالس الجنيني على وسط موراشيج وسكووج (MS) المتصلب الذي يحتوي على 2،4-ثنائي كلورو فينوكسي أسيتيك حامض (2،4-د) و 6- benzylaminopurine (باب). جعلت سهولة التعامل وتحريض الكالس من طيور القرع الناضجة هذه النباتات المستأصلة القيمة. عندما تم استخدام الأوراق كإكسبلانتس ، كان هناك تدرج استجابة فيما يتعلق بعمر الأنسجة لبدء الكالس الأنسجة الشابة أفضل من الأنسجة القديمة. على الرغم من أنه يمكن تحفيز التطور الجنيني الجسدي من الكالس الجنيني ، إلا أنه لم يتم ملاحظة تجديد الأجنة الجسدية مباشرة من خلايا النبات المستأصل [24]. كما تم الإبلاغ عن تكوين الجنين الجسدي من النورات الشابة لـ "ألامو" [25 ، 26]. يجعل الإنتاج الدوري للنباتات من الكالس الجنيني هذه التقنية خيارًا قابلاً للتطبيق للتكاثر النسيلي السريع لعشب التبديل. ومع ذلك ، بالمقارنة مع إنتاج البذور ، فإن التكاثر النسيلي سيكون مكلفًا للغاية وربما يستخدم فقط مع السلالات الأكثر قيمة.

تتمثل إحدى عيوب استخدام أنظمة الكالس الجنينية والمشتقة من البذور في أنها تتمتع عمومًا بفوائد محدودة (أشهر) قبل أن تتوقف عن التجدد. في حين أن طول عمر بقاء الجنين يمكن أن يكون شهرين فقط ، فإن وسيط التبديل الموصوف مؤخرًا ، LP9 ، زاد من قابلية الكالس والقدرة على الحفاظ عليه لمدة تزيد عن ستة أشهر ، مما يجعله أكثر كفاءة للاستخدام في خط أنابيب التحويل [ 27]. LP9 مجتمعة N6 العناصر الكبيرة وب5 العناصر الدقيقة لإنتاج وصيانة الكالس وتجديده [27]. أيضًا ، تم تصنيف الكالس الذي تم الحصول عليه على أنه النوع الثاني من الكالس ، وهو أكثر فاعلية في تحويل وتجديد الحشائش [27] من الكالس الذي تم الحصول عليه من أنظمة زراعة الأنسجة الموصوفة سابقًا [25 ، 26].

ثقافات تعليق الخلية

تنقسم الخلايا بشكل أسرع في مزارع التعليق السائل مقارنة بخلايا الكالس التي تنمو على وسط متصلب [28]. من أجل التكاثر على نطاق واسع ، واختيار الطفرات ، ونقل الجينات وعزل البروتوبلاست ، سيكون من المفيد تطوير مزارع تعليق الخلايا الجنينية. تم الحصول على مزارع المعلق الخلوي لأول مرة من قبل مجموعة بوب كونجر التي استخدمت النورات الصغيرة من "ألامو" كمستطيلات ، والتي يمكن أن تنتج مباشرة الكالس الجنيني ، والذي يمكن تجديده إلى نباتات [25]. أظهرت هذه المجموعة نفسها [26] أن استخدام المعالجة التناضحية كان له تأثير إيجابي على بدء وتحريض التطور الجنيني الجسدي من الثقافات المعلقة المشتقة من النورات المزروعة في المختبر من "ألامو". وقد لوحظ أيضًا أن الثقافات الأصغر أعطت أعلى استجابة جنينية بالمقارنة مع الثقافات القديمة [26]. إن خط HR8 الذي تم تطويره من خلال اختيار زراعة الأنسجة المتكررة من "ألامو" يتمتع بقدرة أعلى على إنبات البذور ، كما أدى إنبات البذور إلى ارتفاع نسبة الكالس الجسدي الجنيني [29]. على الرغم من ضياع خط HR8 هذا ، وفي الواقع جميع مواد Conger المحسنة بخلاف "Alamo2" ، فقد أظهرت الأصول الوراثية المحسنة انتشارًا سريعًا للغاية. هذه الأنواع من المواد لها فائدة كبيرة في برامج التربية [11].

المعلقات الخلوية هي أيضًا مواد بداية ممتازة لعزل البروتوبلاست. البروتوبلاستات مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك اندماج الخلايا والتلاعب الجيني [30]. مؤخرا ، المزاري وآخرون. تم الإبلاغ عن عزل البروتوبلاست من مزارع تعليق خلية التبديل التي تم إنشاؤها من الكالس الجنيني [31]. لقد أظهروا أن كفاءة عزل البروتوبلاست كانت تعتمد بشكل كبير على نوع تعليق الخلية. حاليًا ، تستخدم مجموعاتنا البحثية ومجموعات البحث الأخرى ثقافات تعليق الخلية لمجموعة متنوعة من تطبيقات البيوتكنولوجيا إلى تطبيقات البيولوجيا التركيبية ، بما في ذلك فك رموز بيولوجيا جدار الخلية من أجل التحسينات والهندسة الجينية متعددة الأهداف عالية الإنتاجية والفحص.

تكوين الأعضاء

يوضح تكوين الأعضاء قدرة كبيرة للنباتات على التكيف مع بيئتها المتغيرة ، وتسمح هذه العملية بتكوين الأعضاء من خلايا غير متمايزة [32–34]. تم تجديد تجديد العشب من تكوين الأعضاء [24 ، 35]. تشتمل الإكسبلنتس على نباتات الكاريوب الناضجة وشرائح الأوراق الصغيرة والشتلات المستأصلة الصغيرة ووسط التصلب المتعدد المضاف إليه الأكسينات (2،4-D أو البيكلورام) و BAP فعال [24 ، 35]. أدى الجمع بين 2،4-D و BAP إلى زيادة تكرار التجدد في كل من الكالس غير الجنيني والجنيني المشتق من طيور الكاريوب الناضجة ، في حين كان تحريض البراعم من نباتات إإكسبلنتس الصغيرة أكثر فاعلية عند استخدام البيكلورام بالاشتراك مع BAP [35]. بروتوكولات لتحريض الكالس عالي الإنتاجية عن طريق طلاء الكاريوبس الكامل المجفف وتجديد النبات من سيرة ذاتية جديدة وعالية الغلة. تم تحسين "NSL" و "SL93" [36]. تم العثور على معالجة البذور ، مثل إزالة الحموضة بحمض الكبريتيك ، والتبريد لمدة أسبوعين عند 4 درجات مئوية قبل الطلاء ، والتعقيم بهيبوكلوريت الصوديوم والإيثانول ، لها تأثير كبير على تحريض الكالس وتجديد النبات اللاحق.

التكاثر الدقيق

كما ذكرنا سابقًا ، قد يكون التكاثر الخضري / الدقيق باستخدام زراعة الأنسجة مفيدًا للبلازما الجرثومية القيمة وأيضًا للبحث. تم تطوير تقنيات تجديد متقدمة لعشب التبديل. من أجل التكاثر الفعال للأنماط الجينية لعشبة التبديل ، تم إنشاء التكاثر الدقيق باستخدام إإكسبلنتس العقدية خاصة العقد الموجودة أسفل العقدة العلوية [37]. بغض النظر عن موقعها على القصبة ، أظهرت جميع العقد تحريض إطلاق النار بمعدل مماثل. تم الإبلاغ أيضًا عن إمكانية تجديد 500 نبتة من نبات أم واحد في 12 أسبوعًا [37]. يمكن استخدام التكاثر النسيلي لزيادة عدد النباتات التي تم الحصول عليها من أصناف مختارة ، لدراسات التلقيح الخاضعة للرقابة لاستخدامها في برامج التربية ، في تجارب التحول الجيني ، وأيضًا كمصدر نباتي مهم لبدء الاستزراع الإضافي في المختبر.

في عشبة التبديل ، تعتمد قدرة التجديد بشكل كبير على النمط الجيني [38 ، 39]. تضمن تمرد الأصناف المرتفعة تطوير أنظمة تجديد فعالة جديدة. أظهرت الشتلات السليمة لكل من أصناف الأراضي المنخفضة ("Alamo") والأراضي المرتفعة ("Trailblazer" و "Blackwell") تجديدًا متعددًا لأوراق النبات على وسط MS مكملًا بمجموعات مختلفة من 2،4-D و thidiazuron (TDZ) [38]. كانت هذه التقنية لتحريض براعم متعددة من الشتلات السليمة أقل كثافة في العمل وأكثر سرعة وكفاءة واتساقًا عبر الأنماط الجينية ، ويبدو أن البراعم نشأت من قمة النبتة الموسعة [38]. نظرًا لأن كل caryopsis يختلف بالنسبة للنمط الجيني ، بسبب عدم التوافق الذاتي والتهجين الطبيعي المتأصل في التبديل ، فإن هذا النظام لم يكن له فائدة للتكاثر النسيلي.

النورات غير الناضجة هي مورد مهم ل في المختبر مؤسسة الثقافة. تم استخدام النورات الصغيرة من عشب التبديل لتحريض الكالس وتجديد النبات [40]. لتقليل الضرر الناجم عن الحصاد ، والتلوث الفطري والبكتيري الداخلي أو الخارجي ، وسمية محاليل التعقيم على النورات ، قد يكون إنشاء النمو في المزارع الممحوضة مفيدًا. بروتوكول ل في المختبر تم الإبلاغ عن إنتاج النورات من ثقافات العقد المشتقة من حراثة "ألامو" في الصوبات الزراعية [41]. تم استخدام هذه النورات ، مع السنيبلات المطورة بالكامل والزهيرات الطرفية ، كمستكشفات ممحوضة لتحريض الكالس وتجديد النبات. يوفر هذا الإجراء عالي الكفاءة لتطوير أنسجة التمايز الخاصة بالأعضاء وسيلة للتحول الجيني باستخدام القصف الدقيق في التبديل. في المختبر- توفر الأزهار الناضجة أيضًا مصدرًا معقمًا للأنثرات لإنتاج الأحاديات ، وتفتح الاحتمالات في المختبر تقنيات الإخصاب لتعزيز تجارب التكاثر بين الأنماط البيئية التي يصعب عبورها بشكل طبيعي.

الهندسة الوراثية

يعتبر التحول الجيني مفيدًا لاكتشاف الجينات وتوصيفها في بيولوجيا النبات. يتمثل الاستخدام التجاري للتحول في إدخال سمات في النباتات لن تكون ممكنة عن طريق التربية التقليدية وحدها وأيضًا لزيادة معدل تطور السمات [42]. تشمل أهداف السمات الرئيسية التي يجب تناولها باستخدام الهندسة الوراثية في عشبة التبديل التدجين ، وهندسة النباتات ، وتقليل المقاومة بشكل خاص لتحويل جدار الخلية إلى وقود حيوي ومنتجات حيوية قيمة [6 ، 43]. أدى التركيز الأخير على استخدام عشبة التبديل كمحصول للوقود الحيوي إلى إنتاجه على نطاق واسع والهندسة الوراثية (الجدول 1 الشكل 3) لدمج السمات عن طريق الإفراط في التعبير عن الجينات الغريبة والتخلص من تعبير الجينات الذاتية [44]. قد تكون هذه الجينات لزيادة كفاءة التسكر ، وتعديل بنية جدار الخلية و / أو تكوينها ، وتعزيز إنتاجية الكتلة الحيوية أو التأثير على نمو وتطور نباتات الحشائش [6 ، 9 ، 44 ، 45].

مخطط انسيابي للإنتاج المعدّل وراثيًا في عشبة التبديل [اعتمادات الصورة: Wegi A. Wuddineh and M Nageswara-Rao].

تم الحصول على أول عشب تبديل معدّل وراثيًا من خلال قصف النسيج الجنيني المشتق من الإزهار غير الناضج من "ألامو" باستخدام علامة بلازميد مزدوجة تشتمل على الجين المراسل sgfp (البروتين الفلوري الأخضر GFP) مدفوعًا بأكتين الأرز (قانون 1) المروج والتحديد شريط الجين (الذي يمنح التحمل لمبيد الأعشاب باستا) مدفوعًا بذرة يوبيكويتين (Ubi1) المروج [46]. أظهرت أنسجة الأوراق وحبوب اللقاح للنباتات المعدلة وراثيا GFP وكانت أيضًا متسامحة مع الباستا. تي1 الشتلات من التهجينات بين نباتات التحكم المعدلة وراثيًا وغير المعدلة وراثيًا التي ورثت شريط الجينات المعدلة كانت أيضًا متسامحة مع الباستا [46]. أغروباكتريوم توميفاسيانزتم إنجاز التحويل الوسيط في عشبة التبديل ، ويبدو أنه الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل العشب. الفوارق A. الورم سلالة AGL1 تحمل المتجه الثنائي pDM805 التي تحتوي على شريط تحت سيطرة Ubi1 المروج و uidA الجين مدفوعًا قانون 1 تم استخدام المحفز لتحويل أربعة أنواع نباتية مختلفة أعطت الأجنة الجسدية منها أعلى تردد تحويل [47]. هذا فتح فرصًا جديدة للتلاعب الجيني لعشبة التبديل الأجرعيةغالبًا ما يكون التحويل الوسيط هو الطريقة المفضلة لأنه يفضل دمج عدد نسخ منخفض من الجينات المحورة. Somleva et al. [48] ​​كان قادرًا على التأثير على كفاءة التحول من عشبة التبديل عن طريق التلاعب بنوع النبات المستأصل والنمط الجيني ، ومعالجة ما قبل الزراعة للزراعة ، وإصابة النبات المستأصل قبل العدوى ، وإضافة الأسيتوسيرنغون أثناء التلقيح والزراعة المشتركة ، والاختيار. كانت هذه التجارب ذات قيمة في جعل تحويل عشبة التبديل أكثر روتينية.

تم تحويل الكالس الجنيني المشتق من النورات أو النورات من "ألامو" باستخدام A. الورم سلالة EHA105 بالاشتراك مع ناقلات ثنائية pCAMBIA 1301 (تحمل a gusA من عند بكتريا قولونية) و pCAMBIA 1305.2 (تحمل a GUSPlus من عند المكورات العنقودية spp.) [49]. نظرًا لأن كلا النواقل الثنائية حملت الامتداد هيجرومايسين فوسفوتانسفيراز الجين (hpt) كعلامة اختيار ، تم اختيار النباتات المحورة جينيا على وسط مكمل بالهيغروميسين. تي1 النباتات من التهجين بين نباتات التحكم المعدلة وراثيًا وغير المعدلة وراثيًا والتي لها نسخ متعددة عرضت إسكات الجينات المحورة ، في حين أن الخطوط التي تحتوي على إدخال واحد فقط عبرت عن الجين المحور [49]. أحد أكبر المصادر ، إن لم يكن أكبر مصدر لتحسين الكفاءة ، أتى من التركيب الجيني. تم تطوير Calli الجنيني بدرجة عالية من التجدد والقدرة على التحول من بذور "Alamo" و "Performer" و "Colony" للتحول الجيني باستخدام A. الورم سلالة EHA105 التي تحتوي على ناقلات ثنائية pTOK47 (تحمل 20 كيلو بايت أنا جزء من بلازميد Ti من pTiBo542 ، والذي يحتوي على فيرب, فيرك و فيرجن جينات الفوعة) و pJLU13 (مشتق من pCAMBIA 1301 تحتوي على hpt و sgfp الجينات) [50]. يبدو أن خطوط "Performer" هي على الأرجح أفضل عشب تبديل لثقافة الأنسجة وتحويلها. كما أدى استخدام الفراغ أثناء العدوى والجفاف في الزراعة المشتركة إلى تعزيز كفاءة التحول ، كما فعلت الراحة بعد الإصابة وقبل الزراعة على وسط الانتقاء [50]. يمكن تحسين كفاءة التحول عن طريق تحسين نظام توصيل الجينات ، والاختيار المناسب للخلايا المحولة وتجديدها. تم تحسين كفاءة التحول من خلال استخدام الأجزاء القاعدية من شتلات "ألامو" التي تتمتع بإمكانية تجديد أعلى [51]. أظهر التحول الجيني للكالس من النوع الثاني المشتق من أزهار عشب التبديل على وسط LP9 [27] كفاءة تحويل تصل إلى 34٪ كما قلل من الوقت الذي يستغرقه الإنتاج المعدل وراثيًا بمقدار شهر واحد [52].

على الرغم من وجود عدد من الإجراءات الراسخة لتحويل مصنع التبديل ، إلا أن تقييم تعبير الجينات المحورة قد يستغرق عدة أسابيع. لتقليل هذا الوقت المطلوب لاختبار التركيبات الجينية ، يمكن أن يكون التعبير الجيني العابر عبارة عن شاشة سريعة [53]. تلقيح إنبات شتلات "ألامو" باستخدام أ الأجرعيةتم تحسين نظام التعبير الجيني العابر الوسيط (الترشيح الزراعي) باستخدام سلالات AGL1 و C58 و EHA105 و GV3101 ، والتي أظهر AGL1 أعلى كفاءة في توصيل الجينات [54]. في دراسة أخرى ، أفيد أن EHA105 كان أكثر فعالية في توصيل الجينات من LBA4404 أو GV3101 [51]. لدراسة تأثيرات ظروف الترشيح الزراعي مثل الجرح الميكانيكي (الضرب بالخرز ، الصوتنة أو الدوامة) ، تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي (Break-Thru S 240 ، Silwet L77 أو Li700) ، وتطبيق الفراغ على تعبير β-glucuronidase العابر ، تم إجراء التجارب تم إجراؤها باستخدام أوراق أو شتلة من العشب المقطوع [53 ، 54]. على الرغم من أن الضرب بالخرز أضر بسطح الورقة ، إلا أنه لم يكن له أي تأثير على تعبير بيتا-جلوكورونيداز العابر [53]. من ناحية أخرى ، كان لاستخدام الصوتنة والدوامة مع الكربوراندوم تأثير إيجابي على التعبير العابر [54]. أدى استخدام "Break-Thru S 240" تحت تطبيق فراغ منخفض إلى تحسين التعبير العابر [53] بينما كان لـ Silwet L77 أو Li700 تأثير سلبي [54]. تم تحسين التعبير العابر أيضًا عن طريق زيادة تطبيق الفراغ عندما يكون تركيز الفاعل بالسطح منخفضًا [53]. كما أثر دمج المواد الكيميائية (L-cysteine ​​و dithiothreitol) والإجهاد الحراري والفصل بالطرد المركزي على التعبير الجيني العابر [54]. قد يوفر الترشيح الزراعي اختبارًا سريعًا لدراسات الإفراط في التعبير في عشب التبديل.

المزارعي وآخرون. [55] طور نظام بروتوبلاست باستخدام أوراق وجذور "ألامو" و "ألامو 2" متبوعًا بالتعبير العابر لبولي إيثيلين جلايكول (PEG) بوساطة امتصاص الحمض النووي في البروتوبلاست [55]. GUS مدفوعًا إما بمروج CaMV 35S أو الذرة ubi1 تم استخدام المروج باعتباره الجين المراسل. لتطوير نظام تحويل لأصناف المرتفعات ، تم تحفيز الكالس من أجزاء الشتلات من الصنف الأخطبوطي المرتفع "الكهف في الصخرة". ومع ذلك ، لم يكن الكالس قابلاً للتجديد ولم ينتج سوى الجذور [51]. نظرًا لأن أنظمة زراعة الأنسجة وتحويلها قد تم تطويرها من أجل "ألامو" أو مشتقاته ، من أجل قابلية تطبيق واسعة عبر الأنواع ، هناك حاجة لإنشاء المزيد من المنهجيات المستقلة عن النمط الجيني لعشب التبديل. من الأهمية بمكان أيضًا اختيار الجين (الجينات) المرشحة المناسبة للتحول الجيني ، وتطوير البروتوكولات المناسبة لتقييم الجينات المعدلة وراثيًا باستخدام الجينات غير المعدلة وراثيًا [56]. بالنظر إلى تأثيرات الأصول الوراثية القوية التي لوحظت ، فقد تكون هذه مهمة صعبة. بالإضافة إلى ذلك ، "ألامو" و "بيرفورمر" كلاهما أصناف صالحة للزراعة في الأراضي المنخفضة.

تم استخدام مجموعة متنوعة من المحفزات للتحول الأحادي [57-59] ، ولكن القليل منها فقط تم استخدامه في عشبة التبديل [46 ، 47 ، 50]. وبالتالي ، تم الاهتمام باختبار المروج واكتشافه للهندسة الوراثية لأعشاب التبديل [60 ، 61]. اثنان من الجينات الجديدة لعشب التبديل يوبيكويتين (PvUbi1 و PvUbi2) تم اختبار المروجين [60]. أظهر القصف الجزيئي للكالس باستخدام هذين المروجين أنماط تعبير مماثلة لمحفز الذرة Ubi1 وأعلى بكثير من ذلك باستخدام محفز 35S [60].

لفحص الجينات المحورة بسرعة في عشبة التبديل ، يلزم وجود نواقل تعبير نباتية فعالة أحادية النواة. واحدة من هذه المجموعة النواقل الجديدة هي pANIC ، والتي تستخدم كاسيت متوافق مع البوابة للتعبير المفرط أو RNAi للجين المستهدف [62]. تحتوي المجموعة على علامة قابلة للتحديد وأشرطة علامات مرئية لـ الأجرعيةبوساطة التحول وكذلك القصف البيولوجي [62]. تم تصميم هذه النواقل بشكل خاص لعشب التبديل ويتم استخدامها بشكل روتيني في العديد من معامل تحويل التبديل.

إنتاج المنتجات الحيوية في الأعشاب المحولة جينيا

سومليفا وآخرون. [63] أظهر قابلية عشب التبديل المعدلة وراثيًا لتصنيع polyhydroxybutyrate (PHB) ، وهو بلاستيك قائم على أساس حيوي متعدد هيدروكسي ألكانوات قابل للتحلل الحيوي ، حيث تم هندسة المسار إلى عشب كهربائي. تم تراكم PHB إلى 3.72٪ و 1.23٪ (وزن جاف) في الأوراق والحراثة الكاملة على التوالي. كان إنتاج PHB مستقرًا في الجيل التالي من المصنع أيضًا. أظهرت هذه الدراسة أن دمج سمة معقدة في عشبة التبديل أمر ممكن للتصنيع الحيوي.

تعديل جدار الخلية

تلعب المواد الأولية المعدلة وراثيًا دورًا مهمًا في سيناريوهات الجيل التالي من إنتاج الوقود الحيوي [64]. يمكن أن يؤدي الحد من تخليق اللجنين الحيوي إلى انخفاض المقاومة وزيادة كفاءة التكسير ، مما يجعل تكوين وكمية اللجنين هدفًا واضحًا للتغيير في المواد الأولية للجنوسليلوز [6]. ربما يكون التمرد في تحويل جدران الخلايا إلى الوقود الحيوي هو أكبر عقبة في تحقيق الإمكانات الاقتصادية لعشب التبديل وغيره من المواد الأولية للوقود الحيوي lignocellulosic [64 ، 65]. حاليًا ، لتمكين التحلل الأنزيمي الفعال للسليلوز ، يلزم إجراء معالجة فيزيائية أو كيميائية قاسية لتعديل هياكل جدار الخلية ، وإزالة اللجنين وتحلل الهيميسليلوز [66]. لزيادة إنتاج الوقود الحيوي من المواد الأولية من اللجنوسليلوز ، يتم تغيير تركيبة اللجنين وكميته [67 ، 68].

فو وآخرون. أبلغت عن انخفاض في محتوى اللجنين ، وزيادة (38٪) في إنتاج الإيثانول من التبديل جينيًا حمض الكافيك O- ميثيل ترانسفيراز (COMT) كان الجين خاضعًا للتنظيم [69]. تم تقليل نسبة syringyl: guaiacyl monolignol وتطلبت النباتات المعدلة وراثيًا معالجة وإنزيمات أقل لإنتاج نفس مستويات الإيثانول باستخدام التخمر والتخمر في وقت واحد. ونتيجة لذلك ، تم تحسين جودة الأعلاف في المنطقة COMT الخطوط الخاضعة للتنظيم.

يتم تحفيز الخطوة الأخيرة في التخليق الحيوي للليغنين بواسطة نازعة هيدروجين كحول سيناميل (CAD) [70]. يعمل نقص CAD على تعديل بنية اللجنين ، ويقلل من محتوى اللجنين ، ويزيد من كفاءة التكسير في الحشائش [71 ، 72]. الأجرعيةتم استخدام التحويل الوسيط لـ RNAi لـ CAD في التبديل [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). شو وآخرون. 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 الأجرعية-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 وآخرون.، 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, في بلانتا, 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
  • بيولوجيا النظم, 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
  • علم الاحياء المجهري, 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.

الكلمات الدالة

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.

الاختصاص القضائي Ethanol Mandate (Year enacted) Biodiesel Mandate (Year enacted)
كندا 5.0% (2010) 2.0% (2011)
أونتاريو 5.0% (2007) 4.0% (2017)
Manitoba 8.5% (2008) 2.0% (2009)
Saskatchewan 7.5% (2007) 2.0% (2012)
ألبرتا 5.0% (2011) 2.0% (2011)
كولومبيا البريطانية 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
المجلد. 59, 2008

الملخص

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 . اقرأ أكثر

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.

ال 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.


شاهد الفيديو: مشروع الجينوم البشري Human genome project (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Tauramar

    بالتأكيد. وأنا أتفق مع قول كل أعلاه. يمكننا التواصل حول هذا الموضوع.

  2. Justis

    لا توافق

  3. Bednar

    بيننا نتحدث ، أنصحك بمحاولة البحث في google.com

  4. Majin

    أعتقد ، ما هو - كذبة.



اكتب رسالة