Un team di scienziati del Dipartimento dell’Energia guidato dall’Oak Ridge National Laboratory ha pubblicato il primo set di dati in assoluto che collega le informazioni molecolari sul microbioma del pioppo ai processi a livello di ecosistema. Il progetto mira a informare la ricerca su come funzionano i sistemi naturali, sulla loro vulnerabilità ai cambiamenti climatici e, in definitiva, su come le piante potrebbero essere progettate per prestazioni migliori come fonti di bioenergia e stoccaggio naturale del carbonio.
Gli scienziati del laboratorio nazionale DOE guidati dall’Oak Ridge National Laboratory hanno sviluppato il primo set di dati sugli alberi di questo tipo, collegando le informazioni molecolari sul microbioma del pioppo ai processi a livello di ecosistema. Crediti: Andy Sproles/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
I dati, descritto in Nature Publishing Group Dati scientifici, fornisce informazioni approfondite su 27 varianti geneticamente distinte, o genotipi, di Populus trichocarpa, un pioppo di interesse come coltura bioenergetica. I genotipi sono tra quelli che il Centro per l’innovazione bioenergetica guidato dall’ORNL ha precedentemente incluso in a studio di associazione sull’intero genoma collegare le variazioni genetiche ai tratti fisici degli alberi. I ricercatori dell’ORNL hanno raccolto campioni di foglie, terreno e radici dai campi di pioppi in due regioni dell’Oregon: una in un’area più umida soggetta a inondazioni e l’altra più secca e suscettibile alla siccità.
I dettagli nel set di dati appena integrato spaziano dalla composizione genetica degli alberi e dall’espressione genetica alla chimica dell’ambiente del suolo, all’analisi dei microbi che vivono sopra e attorno agli alberi e ai composti prodotti dalle piante e dai microbi.
Il set di dati “non ha precedenti per dimensioni e portata”, ha affermato Mitchel Doktycz, membro aziendale dell’ORNL, capo sezione per Bioimaging e analisi e co-responsabile del progetto. “È utile per rispondere a molte domande scientifiche diverse”. Estraendo i dati con l’apprendimento automatico e approcci statistici, gli scienziati possono comprendere meglio come sono la composizione genetica, i tratti fisici e la diversità chimica Popolazione si riferiscono a processi come il ciclo dell’azoto e del carbonio nel suolo, ha affermato.
“La conoscenza che abbiamo generato da questo impianto sarà riutilizzata in progetti che producono biocarburanti dal pioppo”, ha affermato Melanie Mayes, leader del gruppo Ecosystem Processes dell’ORNL e collaboratrice del progetto. “La procedura che abbiamo sviluppato qui sarà necessaria per la bioingegneria di altre piante e per aiutarci a costruire la resilienza climatica – per promuovere lo stoccaggio del carbonio nel suolo e ridurre le emissioni di gas serra”.
Il set di dati completo comprende più di 25 terabyte. I collegamenti ai dati sono disponibili come parte della National Microbiome Data Collaborativeo NMDC, un’iniziativa del DOE che supporta la condivisione dei dati sull’associazione dei microbiomi con i processi ambientali.
“Il set di dati rappresenta il più grande archivio metagenomico disponibile al pubblico sull’endosfera di un albero”, l’ambiente dei tessuti vegetali che ospita comunità microbiche complesse, ha affermato Christopher Schadt, co-responsabile del progetto e illustre scienziato dello staff dell’ORNL.
Analisi dettagliate dei campioni hanno prodotto 318 metagenomi, rivelando la diversità dei microbi che vivono dentro e attorno agli alberi attraverso il sequenziamento genetico. Novantotto trascrittomi vegetali forniscono informazioni sull’intera gamma di molecole di RNA messaggero espresse nelle radici delle piante. Il set di dati comprende 314 profili metabolomici, che forniscono informazioni sulle piccole molecole prodotte dalle piante e dai microbi mentre crescono o in risposta allo stress. Sono inclusi anche dati sulle caratteristiche fisiche e biogeochimiche del suolo associate, esaminando le sostanze chimiche presenti e il modo in cui circolano nell’ambiente.
L’integrazione di questi dati “multi-omici” fornirà informazioni essenziali agli scienziati che studiano come gli eventi molecolari e cellulari legati alle piante sono collegati ai processi e ai comportamenti dell’ecosistema.
Comprendere i fattori scatenanti del ciclo dell’azoto nelle piante e nel suolo
Il Joint Genome Institute, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, è stato uno stretto collaboratore del progetto. JGI ha guidato la profilazione metabolomica dell’ambiente delle foglie, delle radici e del suolo, o rizosfera, il sequenziamento della trascrittomica delle radici delle piante e il lavoro di metagenomica della rizosfera e dell’endosfera del suolo.
“La combinazione di metagenomica e metabolomica di foglie, radici e suolo, insieme a Popolazione ospite, rendono questo set di dati davvero unico per la comunità di ricerca e potrebbe servire come risorsa di dati centrale per esplorare le interazioni pianta-microbo”, ha affermato Emiley Eloe-Fadrosh, responsabile del programma Metagenome presso JGI.
Il progetto è iniziato come progetto pilota ORNL chiamato Bio-scale, supportato dalla Divisione di scienza dei sistemi biologici nel programma di ricerca biologica e ambientale del DOE Office of Science. Bio-Scales persegue una migliore comprensione del rapporto pianta-microbo con particolare attenzione al ciclo dell’azoto. L’azoto è un nutriente essenziale per la vita, ma se abusato in agricoltura e in altre applicazioni può danneggiare la qualità dell’acqua o essere emesso come potente protossido di azoto gas serra, o N2O.
“Il progetto ha richiesto l’integrazione di numerose competenze diverse”, ha affermato Doktycz. “Tutto è iniziato con un team che è uscito nel bel mezzo del COVID-19 per raccogliere tutti questi diversi materiali e riportarli in laboratorio, quindi prepararli, analizzarli ed estrarne i dati. Avevamo anche un incredibile team di supporto tecnico che ha elaborato centinaia di questi campioni in modo tracciato e coordinato, interfacciandosi con il Joint Genome Institute per l’analisi della sequenza”.
Oltre alle dimensioni e alla portata, il set di dati si distingue per essere fortemente annotato con metadati, con dettagli precisi, ad esempio, su dove e come è avvenuto il campionamento e un formato standard per la successiva segnalazione dei dati. L’aggiunta di questi elementi ai dati rende le informazioni più facili da trovare, comprendere e riutilizzare.
Stanton Martin dell’ORNL, che ha guidato la gestione dei dati per il progetto in stretto coordinamento con l’NMDC, ha osservato che l’approccio data-first supporta l’intelligenza artificiale e altri approcci analitici per aiutare a risolvere questioni scientifiche. “La gestione dei dati che abbiamo eseguito su questo progetto è estremamente preziosa per le pratiche sui dati per altri progetti come Area di interesse scientifico sulle interfacce pianta-microbo e il Centro per l’innovazione bioenergetica all’ORNL. Sfrutta i punti di forza di ORNL in quelle che io chiamo le tre V della gestione dei dati: volume, varietà e velocità dei dati, e ci ha permesso di fare un primo passo verso l’integrazione di dati omici di grandi dimensioni in un modo mai fatto prima.”
Il progetto è iniziato con Schadt e Mayes in viaggio in Oregon per il campionamento. “Normalmente sarebbero stati sei scienziati, ma a causa della pandemia avevamo restrizioni di viaggio per i gruppi che viaggiavano insieme”, ha detto Schadt. Hanno anche dovuto lavorare per aggirare gli incendi invasivi, poiché quell’anno l’Oregon ha vissuto una stagione di incendi attiva. Schadt e Mayes hanno lavorato con l’assistenza dei volontari della Oregon State University per raccogliere ampi campioni georeferenziati nei due siti.
Bioingegneria benefica
Mayes ha affermato che il progetto “si occupa del ruolo dei geni nell’influenzare non solo il destino della pianta stessa, ma anche l’ambiente circostante, come il suolo. Ad esempio, volevamo comprendere il potenziale dei microbi del suolo nel produrre più nitrati o nel rimuovere il nitrato in eccesso dal sistema. Volevamo saperne di più su come la genomica delle piante influenza ciò che fanno i microbi del suolo”. Conoscere di più sul ciclo dell’azoto delle piante e del suolo può influenzare le emissioni di N2O, un gas che rappresenta il 6% di tutte le emissioni di gas serra negli Stati Uniti.
“Se sai quali geni prendere di mira per ridurre al minimo la produzione di N2O o di nitrati, allora hai il potenziale per influenzare sia il riscaldamento legato ai gas serra che la qualità dell’acqua”, ha detto Mayes. “Si potrebbe, ad esempio, selezionare e perfezionare la bioingegneria delle piante con il miglior profilo genetico per il controllo di queste emissioni”.
“Questo progetto è unico perché individua la connessione tra i genomi delle piante e i risultati ambientali come le emissioni di protossido di azoto o la produzione di nitrati”, ha affermato Mayes. “La creazione di uno dei primi set di dati completi sulla relazione pianta-microbo ci dice anche quanto possiamo ancora imparare”.
Altri collaboratori del progetto includevano ricercatori e studenti dell’Oregon State e della Poplar Innovations, LLC, che hanno collaborato al lavoro sul campo.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Ufficio scientifico del DOE sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita https://energy.gov/science.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
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