新资源精确定位高粱植物细胞的内部工作原理，以设计更好的生物能源原料

生物能源高粱是生产生物燃料和生物产品的重要资源，也是可持续农业未来的关键组成部分。研究人员一直在努力使这种高大耐旱的植物更具生产力，更能适应恶劣的环境条件。但由于缺乏对植物细胞内部工作的了解，这些努力受到了阻碍，这使科学家无法给出适当的基因指令来修改其关键特征，包括石油生产

由高级生物能源和生物产品创新中心（CABBI）的研究人员领导的团队&mdash；能源部生物能源研究中心；创造了一种有价值的新资源，使人们对这种有价值的生物能源作物有了更深入的了解，并有可能在未来设计出一种更有弹性的高粱植物

这项工作是CABBI与大湖区生物能源研究中心（GLBRC）的合作，该中心是BRC的研究员；HudsonAlpha生物技术研究所；以及环境分子科学实验室，太平洋西北国家实验室的能源部用户设施

研究人员确定了构成高粱茎组织的主要细胞类型的基因表达模式&mdash；占植物总生物量的80%；以及潜在的细胞类型特异性启动子和潜在的调控基因网络

他们的目标是在单细胞类型水平上绘制所有基因表达模式的图片，这对通过基因工程改造这种植物至关重要；科学家用来修改一个或几个目标基因以改变植物性状的过程。他们的工作发表在《植物杂志》上

“这项研究使我们能够在细胞类型水平上破译高粱茎的生理和分子特征，但它也有助于其他具有不同兴趣的科学家在开发更大、更具弹性的高粱时确定候选基因，”主要作者、CABBI联合PI博士候选人、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物生物学教授Amy Marshall Colon说

研究人员将一种名为激光捕获显微切割（LCM）的现有技术应用于细胞壁更顽固的高粱干组织，他们使用紫外线（UV）激光作为刀来分离不同类型的细胞。再加上一种名为RNA测序的高通量技术，该技术可以同时测试所有基因的表达模式，他们能够获得营养生长早期基因表达模式的全面图谱，揭示细胞类型特异性表达、途径和潜在的调控网络

这个高通量基因表达数据库可以作为一个基本工具，使对BRC有不同兴趣的研究人员能够在前所未有的细胞类型水平上探索高粱茎的分子和生理特征

这项研究中发现的表达模式为高粱研究人员提供了一个设计细胞类型特异性启动子的机会，该启动子可以在所需位置实现靶向基因表达，将来自其他细胞类型的干扰降至最低

这项工作支持CABBI的“工厂即工厂”方法及其原料生产研究的主要目标&mdash；提供有弹性、高产的草，这些草能产生大量脂质，并有利于其他使用高粱或类似草的BRC

从长远来看，使用激光捕获显微切割成功分离细胞类型将允许从高粱茎中收集其他类型的“组学”数据，并有助于为该C4模式物种建立一个有价值的、全面的多组学数据库

作为石油产品的更清洁替代品，高粱和其他生物能源作物制成的生物燃料和生物化学品可以通过不与主食作物争夺土地和水，帮助缓解气候变化，保障粮食安全

这项研究将加快设计更好的生物能源高粱原料的努力，不仅提供更多关于高粱干组织细胞类型的知识，还提供一些潜在的细胞类型特异性基因工程启动子。

例如，高粱脂质生产的一个瓶颈是油不能在其最丰富的细胞类型（髓）中积累，并且在生长早期积累大量脂质，这会损害植物生长并导致生物量低

在植物脂质生产过程中鉴定的关键基因上游应用细胞类型特异性启动子可以指导油在所需细胞类型中的积累。随着实验室对基因时间调控模式的持续研究，这可能最终导致脂质在更有益的生长阶段积累

这项研究是对成熟节间基因表达的首次高分辨率见解&mdash；HudsonAlpha研究所的CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan说。她说：“它为改造特定细胞类型以生产新型生物产品奠定了基础。”