Neue Studie verspricht effizientere Produktion von Biokraftstoff

Eine Zuckerrohrplantage in Brasilien. Aus dem Rohrzucker wird Bioethanol gewonnen. (Wikipedia / User Mariordo / CC BY-SA 3.0)
Eine Zuckerrohrplantage in Brasilien. Aus dem Rohrzucker wird Bioethanol gewonnen. (Wikipedia / User Mariordo / CC BY-SA 3.0)

Pflanzengenetiker haben die Genregulierungswege bestimmt, welche die Zellwandverdickung durch die Synthese der drei Polymere Cellulose, Hemicellulose und Lignin steuern. Zu dem Forschungsteam gehörten Sam Hazen von der University of Massachusetts in Amherst und Siobhan Brady von der University of California in Davis.

Die Autoren sagen, dass das steifste dieser Polymere – Lignin – ein “entscheidendes Hindernis” darstelle, um Zucker aus pflanzlicher Biomasse zu extrahieren, die für die Herstellung von Biotreibstoffen verwendet werden kann. Ihr genetischer Fortschritt soll als ein Fundament dienen, um die Regulierung eines komplexen, wesentlichen Pflanzenbestandteils zu verstehen, und er soll als Plan dafür herhalten, wie zukünftige Forscher die polymerbildenden Prozesse manipulieren könnten, um die Effizienz der Biokraftstoffherstellung zu verbessern.

Die drei Schlüsselbestandteile, die in Pflanzengewebe namens Xylem vorkommen, geben Pflanzen mechanische Widerstandskraft und stellen wasserdichte Zellen zur Verfügung, die Wasser transportieren. Hazen, Brady und ihre Kollegen arbeiteten mit der Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) und untersuchten, wie eine große Anzahl miteinander verbundener Transkriptionsfaktoren das Xylem und die Zellwandverdickung regulierten. Die Ergebnisse erschienen am 24. Dezember 2014 online im Journal Nature.

Ein Kommentar in dem Journal bezüglich der Bedeutung dieser Entdeckung betont, dass das Wissen darüber, wie die relativen Proportionen dieser Biopolymere im Pflanzengewebe reguliert werden, neue Möglichkeiten eröffnen würde, um Pflanzen für die Verwendung als Biotreibstoff zu modifizieren. Die Studie von Hazen, Brady und ihren Kollegen identifizierte hunderte neuer Regulatoren. Sie bietet “umfangreiche Einblicke in die entwicklungsgemäße Regulierung der Xylem-Zelldifferenzierung”, sagen die Autoren.

Die Wissenschaftler nutzten einen Ansatz, um Protein-DNA-Interaktionen zu identifizieren und untersuchten mehr als 460 Transkriptionsfaktoren in Wurzelxylem. Sie erforschten deren Fähigkeit, die Promotoren von etwa 50 Genen zu binden, welche bekannterweise an Prozessen beteiligt sind, die Zellwandbestandteile herstellen.”Das offenbarte ein hochgradig miteinander verbundenes Netzwerk aus über 240 Genen und mehr als 600 Protein-DNA-Interaktionen, von denen wir bisher nichts gewusst haben”, sagte Hazen.

Sie stellten auch fest, dass jedes Zellwand-Gen in dem Xylem-Regulierungsnetzwerk von durchschnittlich fünf verschiedenen Transkriptionsfaktoren aus 35 einzelnen Regulierungsproteinfamilien gebunden wird. Außerdem bilden viele der Transkriptionsfaktoren eine überraschend große Anzahl von Vorsteuerungen, welche die Zielgene koregulieren.

Mit anderen Worten: Es ist weniger eine Reihe von An- und Ausschaltern, die letztendlich zu einer Aktion wie der Produktion von Cellulose führt, sondern vielmehr so, dass sich die meisten Proteine, die Regulatoren für den Zellkreislauf und die Zelldifferenzierung enthalten, direkt an Cellulose-Gene und an andere Transkriptionsregulatoren anbinden. Das gibt Pflanzen eine riesige Anzahl möglicher Kombinationen, um auf Umweltbelastungen wie Salz oder Trockenheit zu reagieren und sich ihnen anzupassen.

Obwohl diese Studie interaktive Knoten identifizieren konnte, waren die Autoren mit den verwendeten Techniken nicht in der Lage exakt zu bestimmen, welche Vorsteuerungstypen in dem Xylem-Regulationsnetzwerk vorhanden sind. Trotzdem bietet die Arbeit ein Grundgerüst für zukünftige Forschungen, das Wissenschaftlern erlauben sollte, Möglichkeiten für die Manipulation dieses Netzwerks zu finden und Energienutzpflanzen für die Herstellung von Biokraftstoff zu entwickeln.

Quelle: https://www.umass.edu/newsoffice/article/plant-genetic-advance-could-lead-more

(THK)

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