Deux nouvelles publications pourraient aider au développement des biocarburants. Une équipe de scientifiques vient de publier le génome de Miscanthus sinensis, une plante que l'on trouve couramment dans les jardins comme graminée ornementale. La recherche a déjà donné quelques résultats en trouvant un partie du génome associée à la période de floraison de l'herbe. Être capable de synchroniser les périodes de floraison aidera les scientifiques à croiser différents Miscanthus plantes, pour se reproduire pour les traits les plus productifs.

Quelles plantes sont séquencées ?

Bien qu'il s'agisse d'une graminée ornementale populaire, la collecte du matériel n'était pas aussi simple que de se rendre au centre de jardinage local pour s'approvisionner. "Ce document s'est servi d'un M. sinensis génotype haploïde qui était caractérisé par l'Université de l'Illinois et créé par l'Institut de génétique végétale de l'Académie polonaise des sciences», a déclaré Daniel Rokhsar, qui a co-dirigé la publication du génome. "La plante était petite et difficile à maintenir en vie, donc pas optimale pour la production de cultures de biomasse, mais en raison de la complexité réduite de son génome, elle a facilité l'assemblage du génome - cela dit, même le génome de base est le résultat d'une duplication du génome entier relativement récente."

L'équipe s'est tournée vers l'exploration M. sinensis après avoir commencé un projet avec une espèce hybride de Miscanthus, a déclaré le co-directeur, Kankshita Swaminathan. « Nous avons commencé par explorer le génome de Miscanthus × giganteus. Alors que nous savions qu'il s'agissait d'un triploïde (3 génomes au lieu des 2 typiques que possèdent la plupart des organismes), nous ne connaissions pas la duplication complète du génome. Ces premières études nous ont dit qu'il s'agissait d'un génome complexe et difficile à assembler. Utilisation de populations de cartographie indépendantes de diploïdes M. sinensis lignées, une équipe de l'IBERS ainsi que l'Université de l'Illinois ont généré des cartes génétiques de M. sinensis et j'ai découvert que Miscanthus abritait une duplication complète du génome qui augmentait encore la complexité de ce grand génome. Ces données ont lancé la recherche d'un Miscanthus haploïde doublé et ont ajouté des chercheurs de l'Académie polonaise des sciences à la collaboration.

Iain Donnison, qui a supervisé l'article sur la floraison, avait une source différente pour son matériel. "Le croisement familial de cartographie du temps de floraison a été réalisé dans le Miscanthus Programme de sélection impliquant John Clifton-Brown et Charlotte Hayes. Le clone femelle, sélectionné en 1988 au Japon tempéré (île de Honshu) par le botaniste danois Poul Erik Brander, a été fourni par le Dr Karen Petersen. Il s'inscrivait dans le cadre du programme européen d'amélioration du Miscanthus (EMI) (1997-2000). Le génotype mâle, issu de la population BIOMIS, a été fourni par le Dr Oene Dolstra dans le cadre d'un projet de collaboration entre le Royaume-Uni et les Pays-Bas, financé par le ministère de l'Environnement, de l'Alimentation et des Affaires rurales (Defra). Cette famille est une population de cartographie F1 issue d'un croisement exogame entre la femelle EMI11 (numéro d'accession danois MS-88-110) et le mâle H0023.

« De plus, IBERS a collecté nouvelles adhésions de Miscanthus espèces et génotypes sauvages à Taïwan, au Japon, en Chine, en Corée du Sud (en vertu des protocoles des Nations Unies sur la Convention sur la diversité biologique et sur l'accès et le partage des avantages).

Comment tant de gens s'impliquent-ils ?

Les articles sont le résultat de la coopération de personnes travaillant dans plusieurs instituts, un processus qui a commencé de manière organique. « La plupart de ces groupes ont commencé à travailler sur Miscanthus indépendamment », a déclaré Kankshita Swaminathan. "Miscanthus est originaire du sous-continent asiatique et de vraiment comprendre Miscanthus diversité et collecter du matériel génétique pour la sélection, nous devions collecter des plantes représentatives de toute la gamme. Cela a conduit aux nombreuses collaborations internationales que vous voyez ici.

Les chercheurs se sont réunis lors de conférences, a déclaré Daniel Rokhsar. « Kankshita et Kerrie Farar organisent un atelier annuel lors de la réunion Plant & Animal Genome à San Diego qui rassemble de nombreux membres de cette communauté. La conférence a fourni une occasion annuelle pour de nombreuses personnes impliquées dans le projet et le document de se rattraper à intervalles réguliers. Kankshita a dirigé le projet de séquençage et le manuscrit, y compris la coordination avec tous les auteurs. »

Pour le papier fleuri, la collaboration est née grâce au financement du BBSRC pour une collaboration entre le Royaume-Uni et les États-Unis attribuée à Iain Donnison avec Malay Saha à la Samuel Roberts Noble Foundation dans l'Oklahoma. « Les scientifiques d'IBERS ont commencé à travailler avec la société américaine de biotechnologie Ceres, où Richard Flavell était directeur scientifique. IBERS avait également reçu un financement du BBSRC pour la période de floraison en Miscanthus, et Ceres étaient intéressés par l'identification de marqueurs moléculaires pour ce trait. Ceres travaillait également déjà avec des chercheurs sur le panic érigé à la Noble Foundation, et la collaboration entre espèces a évolué lorsque nous avons réalisé que nous avions des aspirations et des approches similaires en matière de sélection pour la bioénergie. IBERS a visité Ceres et Noble à plusieurs reprises et a trouvé les interactions scientifiquement bénéfiques et amusantes. dit Iain Donnison

"Lorsque les chercheurs ont un intérêt commun et complexe, il n'est pas difficile pour eux de se réunir", a ajouté Kankshita Swaminathan. « Quelques e-mails, appels et échanges d'idées lors de conférences scientifiques suffisent souvent à susciter l'intérêt de travailler ensemble vers un objectif commun. S'il n'y a pas d'autres conflits, une collaboration se forme naturellement.

Nouvelles opportunités

"Ce manuscrit ouvre des opportunités pour comprendre la biologie de cette herbe vivace très réussie. Il permet aux sélectionneurs et aux généticiens de comprendre les gènes derrière les traits et d'utiliser des marqueurs pour rassembler les traits d'intérêt », a déclaré Kankshita Swaminathan.

"C'est également formidable d'avoir le nouveau génome de référence car il sera utilisé pour d'autres génomiques comparatives, ainsi que pour la cartographie génétique et QTL pour localiser les traits d'intérêt pour les régions du génome, les analyses de transcriptome pour comprendre comment Miscanthus les gènes sont régulés dans différentes parties de la plante et comment ils réagissent dans diverses conditions, et pour les études GxE. Cela peut accélérer la future sélection végétale de Miscanthus et les groupes IBERS et Illinois cherchent à le faire grâce à des méthodes de prédiction génomique. Plus important encore, cela a un réel potentiel pour lutter contre le changement climatique dans un avenir proche grâce à des approches telles que la bioénergie avec capture et stockage du carbone (BECCS) pour créer des émissions négatives (de carbone) et donc permettre aux économies de se décarboner et d'atteindre les objectifs de zéro net.

La publication d'une étude sur la période de floraison en Miscanthus montre que le génome a déjà de la valeur pour les chercheurs. "Le temps de floraison est un trait si clé et passionnant à étudier, surtout quand on en sait si peu sur une espèce étudiée relativement récemment", a déclaré Elaine Jensen, l'un des premiers auteurs de l'étude sur la floraison. "Le genre Miscanthus est incroyablement diversifié."

"Nous avons collecté des accessions dans une gamme latitudinale s'étendant du 18^oN à Hainan, Chine, à 45^oN à Preide, Chine. Nous savons par d'autres espèces que la période de floraison est un trait complexe et que la latitude d'origine est susceptible d'avoir une incidence sur la période de floraison (où les accessions dérivées de la latitude nord fleuriront plus tôt), et nous avons constaté que M. sinensis les génotypes démontrent une relation géographique complexe reflétant les variations climatiques. La seule façon de faire des croisements est de synchroniser la floraison, c'est pourquoi nous avons investi dans déterminer quels facteurs influent sur son calendrier. Cependant, une fois que nous avons fait les croisements, nous voulons un moyen de cribler la descendance pour déterminer si elle aura la caractéristique de floraison tardive souhaitée pour permettre une utilisation maximale de la saison de croissance : une floraison optimale maximise le rendement et la qualité de la biomasse et assure la pérennité de cette culture pérenne.

Une autre pression sur les terres agricoles ?

Mais la promesse d'une culture de biocarburants plus efficace signifie-t-elle une demande accrue de terres agricoles, et donc une pression accrue sur l'approvisionnement alimentaire ? Pas nécessairement, affirme Iain Donnison. « La recherche en bioénergie est souvent présentée comme un choix entre alimentation et carburant, que ce soit directement ou par le biais de changements d'affectation des terres. Notre objectif est d'utiliser des cultures dédiées qui poussent sur des terres marginales moins adaptées à la production alimentaire. Les cultures pérennes comme le miscanthus sont plus durables que les annuelles car elles ne nécessitent pas un cycle annuel aussi intensif de labour, d'herbicides, de pesticides et d'engrais. »

« Les rapports énergétiques entre l'énergie entrante et l'énergie sortante peuvent être extrêmement élevés, par exemple x30 ou même plus. Miscanthus est unique en ce qu'il a une photosynthèse C4 efficace qui fonctionne à des températures plus basses, c'est pourquoi les rendements sont si impressionnants, même dans les climats tempérés. Nos options pour les carburants renouvelables à base de carbone sont très limitées, les cultures énergétiques ont un rôle particulier à jouer dans le système énergétique. Plus important encore, pour atteindre des objectifs ambitieux en matière de changement climatique tels que convenus dans l'accord de Paris 2015 lors de la COP21, nous avons besoin de technologies d'élimination des GES telles que BECCS qui peuvent créer les émissions négatives nécessaires pour que les économies industrielles atteignent le zéro net. En d'autres termes, ces émissions négatives sont nécessaires pour compenser les secteurs difficiles à décarboner complètement tels que l'aviation, l'industrie lourde et l'élevage (par exemple, la viande rouge et les produits laitiers), et aussi pour aller encore plus loin et aider à éliminer les émissions historiques de la combustion. de combustibles fossiles. En plus d'aider à lutter contre le changement climatique, ces nouvelles technologies vertes peuvent contribuer à une reprise post-Covid et créer des emplois, comme décrit dans l'annonce par le gouvernement d'une révolution industrielle verte cette semaine.

"Aussi dur que nous décarbonions le reste des secteurs, nous avons besoin de ces émissions négatives où le carbone est fixé par des cultures à croissance rapide grâce à la photosynthèse et le carbone soit transformé en produits à longue durée de vie, soit brûlé dans une centrale électrique et le CO2 capturé, comprimé puis pompé dans magasins souterrains. D'autres alternatives étant l'utilisation du CO2 dans les serres pour l'horticulture et encore la fixation par les plantes, ou l'utilisation industrielle dans le cadre de l'économie circulaire. Ces discussions, y compris sur la fixation d'objectifs, se poursuivront lors de la COP26 à Glasgow l'année prochaine.

Un domaine en pleine croissance

Toute personne souhaitant se lancer dans la recherche devrait pouvoir trouver un espace pour elle-même. « Nous avons une équipe très diversifiée composée de personnes expertes en biologie moléculaire, botanique, génétique, mathématiques, analyse et programmation informatiques, statistiques et analyses quantitatives, etc. Ce qui est important, c'est d'aimer ce que vous faites et de développer une expertise dans ce domaine. S'il y a une lacune dans votre expertise pour explorer un sujet spécifique (et avec la science interdisciplinaire d'aujourd'hui, il y en aura toujours), vous trouvez un bon collaborateur qui peut vous aider », a déclaré Kankshita Swaminathan.

« « Les équipes de recherche d'aujourd'hui sont diverses et interdisciplinaires. L'important, en plus de développer vos propres domaines d'intérêt, est de pouvoir communiquer avec divers chercheurs et utilisateurs à différentes parties du pipeline commercial pour contribuer à la recherche au-delà de votre propre domaine d'expertise », a déclaré Iain Donnison.

« Nous y croyons si passionnément que nous avons même mis en place un programme diplômant où les biologistes étudieront chaque année avec des étudiants d'autres disciplines, notamment les affaires, l'économie, la politique internationale, l'anglais et l'écriture créative.

Comme le changement climatique sera un problème à long terme, il est probable qu'il restera une source de recherche pendant de nombreuses années à venir.