KNAW

Research

IPOP biobased breeding

Pagina-navigatie:


Update content


Title IPOP biobased breeding
Period 01 / 2007 - 12 / 2010
Status Completed
Research number OND1337372

Abstract

Description:
Incentives for BbE are climate change, reduced CO2 emissions (Kyoto, Biofuels Directive), high raw material prices, independence of imports, but also new marketing opportunities for plant products. Many reports have been written within and outside Wageningen UR on the role of Wageningen UR or the PSG in BbE, including the PSG task force Biobased report (Biobased Economy Investment plan, Koops et al.) and the Wageningen UR-wide Project group (Vision document Biobased Economy, van der Bent et al.).
Agbiotech and Agprocessing are making considerable investments in increasing production of ethanol and biodiesel. Also petro-energy companies are moving in the direction of biofuels. In their public communications, they claim only to want to generate energy from crops which can be grown on marginal lands (BP in the UK that is starting a jatropha project in India) or by boosting food production, so that the industry can use secondary flows and excesses as biofuel. For example, Reliance Industries in India wants to increase the average grain yields from 2 to 7 tonnes/hectare. These developments have huge consequences for agricultural raw material production, processing and trade. Competition will emerge between energy, wood, fibre and food markets and the pressure on land, water and mineral resources will increase. In most cases, water will be the most restricting factor. There will also be competition between biomass for energy on the one hand and biomass for food, animal feed or nature on the other hand, all dependent on the same resources as land and water.
In order to substantially increase the contribution of biomass to global energy production, research and development is required into all aspects of the supply chain. For PSG, the emphasis is naturally on plant production. There is also the focus on themes which reflect our existing knowledge strengths. Conditions (see also last task force BbE chairman Andries Koops):

- Strengthening of BbE research themes lead to unique marketable knowledge
- Improvement of the visibility of PSG particularly with regard to sustainability of energy cultivation
- Production of high-quality chemicals by plants

Approach
Problem
From the PSG, we want to solve problems in various disciplines:

- How can we achieve the sustainability of production: achieved when BbE places a greater claim on energy, land, water, nutrient resources) for the production of energy in particular (agro-ecology and cultivation)
- People use land, water and nutrients for the production of food, animal feed, fuel, wood, and nature. The scientific foundation for which of these functions the resources are most suited in biophysical and socio-economic terms. Supply of relevant information for policy and for local stakeholders. (Competing claims)
- How can we develop improved crop varieties to provide higher yield of energy and other resources (e.g. Miscanthus)
- How can we improve molecular mechanisms to provide higher yield and better development of C for second generation fuels?

Activities
Bioscience / Improvement
At the start of 2008, Bioscience and Improvement decided to concentrate all the research with Improvement.
The first generation of energy crops are focused on the production of sugar or oil which we convert using existing technology into the liquid biofuels bioethanol or biodiesel. It is expected that the first generation fuels will increasingly be replaced by the cheaper second generation fuels: bioethanol or methanol from lignocellulose. This requires new technology related to biomass development, thermic processing and fermentation. It also requires biomass with a different (although not lower) quality than biomass which the industry now uses for first generation fuels. The challenge from the PSG is to create plants with a maximum yield of fermentable sugars per hectare and minimum polluting substances (minimise slag formation). The task for Bioscience is to look for genes which improve the cell wall structure and reduce the level of undesired components (Si, K, Na, CL etc.).
At the moment, BioVer, together with IGER in Wales (UK), is currently setting up a platform for the improvement of Miscanthus for energy along two research lines. The first is aimed at expanding the collection of genotypes of the basic varieties of M. giganteus (a sterile clone with only marginal genetic differences, making it unsuitable as basic material for improvement). These genotypes are necessary for an experimental development programme in M. sinensis, aimed at higher yield and better combustion quality. In addition, we must vastly expand the available variation and develop selection methods. The second improvement route is the resynthesis of M. giganteus which takes place in the PRI-coordinated EU project BIOMIS. This has produced a genetic map with QTLs for the combustion quality-related characteristics (levels of K, Cl, etc.). For two QTLs, PCR markers were recently developed. The main focus is on yield, flowering, mineral composition, lignin content and seeding. One of the aims is to market a high-quality variety of Miscanthus reproducible from seed, whereby the high plant costs associated with vegetative reproduction can be considerably reduced. The energy yield per hectare and the result for the farmer will thus be very much improved. Furthermore, we use our knowledge about cell wall biosynthesis (in potatoes and flax/hemp) and cell wall digestibility in feed maize to increase energy generation from miscanthus through saccharification.
Work 2008:
In the first year, resources for molecular genetics research into and selection for Miscanthus sinensis were developed. This was based on the available genetic marker map with associated population and parents and grandparents. The activities planned in the second year are:

- In year 1, a tissue culture for Miscanthus was started in preparation for the development of a transformation protocol. This is vitally important for the targeted improvement of miscanthus as an energy crop (improved cell wall development, reduced mineral content). In December 2007/January 2008, the first transformation will be performed with a marker gene (GUS). If the transformation is successful, PRI will be the first to be capable of transforming Miscanthus.
- Once the Miscanthus is operational to some extent, work will focus on improving the development of cell wall. Work on maize has shown that delaying lignin biosynthesis produces improved cell wall digestibility. Analogous to this, it is expected that delaying the lignin biosynthesis will result in improved development. The aim for 2008 is to delay two genes in the lignin biosynthesis using RNAi. Miscanthus-specific PCR fragments for the genes involved will be generated and used to construct RNAi structures. These will then be incorporated in the Miscanthus genome.
- Based on gene-specific DNA sequence data from associated varieties, in year 1 Miscanthus genes were traced which play a role in the synthesis of cell walls. This approach then involved cloning and sequencing the traced gene-specific PCR fragments from both parents of the population used for developing the BIOMIS marker map. The number of sequence-specific haplotypes found can only be explained if at least two loci are used per start sequence. This is no surprise given the allotetrapoid character of M. sinensis. The associated haplotypes (SNPs/INDELs) form the basis for the proposed charting of the genes found.
- For the development of markers for QTLs from properties which are relevant in relation to production of bio-energy, a recently developed profiling technique for peroxidase genes (Van der Linden, PRI) tested on the parents and grandparents of the BIOMIS population. Peroxidase genes play an important role in cell wall formation, among others. Polymorphisms found are charted in year 2. Markers associated with QTL are used for the development of simple selection markers.
- For the research/improvement, attention will be devoted in year 2 to the vegetative improvement in vitro of a limited set of genotypes of M. sinensis.

The planned research activities will lead to the identification of genes which are important for the quality of Miscanthus biomass and which are required for the development of the tools necessary for specific molecular improvement.
The research directly leads to a better marker map, to instruments for marker selection. Both are very important to the current improvement research on Miscanthus. The planned activities also strengthen the position of PRI regarding the potential of two FP7 proposals which are currently being prepared.
Work 2009
The proposed research in year 3 is a continuation of the research started in both previous years in the field of molecular and genetic research on miscanthus and its transformation. The results are important to the current improvement programme: - Tracing SNPs and INDELs in the set of candidate genes is continued in order to acquire a set of gene-specific markers for genetic analyses and in order to gain insight into the M. Sinensis genome.
- To supplement this, RNA was isolated from young stem material from the parents of the BIOMIS population for sequence determining with 454 technology. Main goals are (obtaining sufficient SNPs for large-scale genotyping of BIOMIS population with the aid of Illumina arrays and (2) obtaining sequence tags for genes which are expressed in miscanthus biomass.
- Phenotyping of miscanthus for various plant characteristics, mainly the chemical composition of biomass, for the selection and genetic analyses.
- Screening methods for criteria relevant for conversion of biomass in ethanol are first set up /developed and tested on biomass of the collection, including parents of the BIOMIS population. This research runs partly parallel to similar research in maize that is expected to start early in 2009.
- As soon as we have a good transformation protocol, we will use it for RNAi-induced silencing of homeologous genes which affect the cell wall biosynthesis; an approach which has been successfully applied with polyploids like wheat and maize.
- Improvement research (pm)

Research objectives:
With the C for energY programme, we plan to develop energy crops and production systems which are optimised for conversion into first and second generation fuels. For this we need: maximum energy yield, minimum cultivation costs, minimum resource requirements, minimum pollutant components, and maximum development of C in various biomass-to-energy processing scenarios.

Results and products:
The planned research activities will lead to the identification of genes which are important for the quality of Miscanthus biomass and which are required for the development of the tools necessary for specific molecular improvement.
The research directly leads to a better marker map, to instruments for marker selection. Both are very important to the current improvement research on Miscanthus. The planned activities also strengthen the position of PRI regarding the potential of two FP7 proposals which are currently being prepared.

Abstract (NL)

Doel
Doelstelling

Met het programma C for energY beogen we energiegewassen en productiesystemen te ontwikkelen die zijn geoptimaliseerd voor omzetting in de 1e en 2e generatie brandstoffen. Hiervoor is nodig: maximale energie-opbrengst, minimale teeltkosten, minimale resourcebehoefte, minimaal gehalte aan vervuilende componenten, maximale ontsluitbaarheid van C in verschillende biomassa-naar-energie processingscenario s.
Achtergrond
Aanjagers voor BbE zijn klimaatverandering, verlaging CO2 uitstoot (Kyoto, Biofuels Directive), hoge grondstofprijzen, onafhankelijkheid van importen, maar ook nieuwe afzetmogelijkheden voor plantaardige producten. Er is buiten, maar ook binnen Wageningen menig rapport geschreven over de rol van Wageningen UR of PSG in BbE, waaronder dat van de PSG task force Biobased (Biobased Economy Investeringsplan, Koops et al.) en de Wageningen UR-brede Projectgroep (Visiedocument Biobased Economy, van der Bent et al.).
Agbiotech en Agprocessing investeren behoorlijk in het verhogen van productie van ethanol en biodiesel. Ook petro-energiebedrijven bewegen in de richting van biofuels. Publicitair stellen ze alleen energie te willen winnen uit gewassen die op marginale gronden willen groeien (BP in de UK dat een jatrophaproject in India begint) of door voedselproductie sterk op te jagen, zodat de industrie nevenstromen en overschotten aan kan wenden als biofuel Zo wil Reliance Industries in India de gemiddelde graanopbrengsten van 2 naar 7 t/ha. Deze ontwikkelingen hebben grote consequenties voor agrogrondstofproductie, -processing en -handel. Er zal competitie ontstaan tussen energie-, hout, vezel en voedselmarkten en de druk op land, water en minerale hulpbronnen zal toenemen. Water zal in de meeste gevallen de meest beperkende factor zijn. Daarnaast gaat het om competitie tussen enerzijds biomassa voor energie en anderzijds biomassa voor voedsel, veevoer of natuur, die alle afhankelijk zijn van dezelfde hulpbronnen zoals land en water.
Om de bijdrage van biomassa aan de mondiale energieproductie substantieel te kunnen verhogen, is onderzoek en ontwikkeling nodig op alle aspecten van de aanvoerketen. Voor PSG ligt de nadruk uiteraard op plantaardige productie. Verder is er focus op thema s die aansluiten bij onze bestaande kennissterkten. Voorwaarden (zie ook vorige task force BbE vz Andries Koops):

- versterking van BbE onderzoeksthema s leiden tot unieke vermarktbare kennis
- verbetering van de zichtbaarheid van PSG vooral rond duurzaamheid van energieteelt
- productie van hoogwaardige chemicaliën door planten

Werkwijze
Probleemstelling

Vanuit PSG willen we problemen oplossen in verschillende disciplines:

- Hoe krijgen we de duurzaamheid van de productie: gerealiseerd wanneer BbE een groter beslag legt op hulpbronnen energie, land, water, nutriënten) voor de productie van met name energie (agro-ecologie en teelt)
Mensen gebruiken land, water en nutriënten) voor de productie van voedsel, veevoer, brandstof, hout, natuur. Het wetenschappelijk onderbouwen voor welke van deze functies de resources het best geschikt zijn vanuit biofysisch en sociaal-economisch perspectief. Leveren van relevante informatie voor beleid en voor lokale stakeholders. (Competing claims)
Hoe kunnen we gewassen veredelen op hoger rendement van energie en andere hulpbronnen (vb miscanthus)
Hoe kunnen we moleculair veredelen voor hogere opbrengst en betere ontsluitbaarheid van C ten behoeve van de 2e generatie brandstoffen?

Activiteiten
Bioscience / Veredeling
Begin 2008 is in goed overleg tussen Bioscience en Veredeling besloten om al het onderzoek te concentreren bij Veredeling.
De 1ste generatie energie gewassen zijn gericht op de productie van suiker of olie die we met bestaande technologie omzetten in de vloeibare energiedragers bioethanol of biodiesel. De verwachting is dat de 1ste generatie brandstoffen in toenemende mate vervangen zal worden door de goedkopere 2e generatie brandstoffen: bio-ethanol of -methanol uit lignocellulose. Dit vraagt nieuwe technologie op het gebied van biomassaontsluiting, thermische processing en fermentatie. Het vraagt ook biomassa die een andere (hoewel niet mindere) kwaliteit heeft dan biomassa die de industrie nu voor de 1ste generatie brandstoffen gebruikt. De uitdaging vanuit PSG is om planten te maken met een zo hoog mogelijke opbrengst aan fermenteerbare suikers per hectare en een zo laag mogelijk gehalte aan verontreinigende stoffen (minimaliseren van slakvorming). De taak voor Bioscience is om te zoeken naar genen die de celwandsamenstelling verbeteren en het gehalte aan ongewenste componenten (Si, K, Na, CL etc.) verlagen.
Op dit moment zet BioVer, samen met met IGER in Wales (UK), een platform op voor de veredeling van Miscanthus voor energie langs twee onderzoekslijnen. De eerste is gericht op de uitbouw van de collectie van genotypen van de basissoorten van M. giganteus (een steriele kloon met slechts marginale genetische verschillen, zodat hij niet geschikt is als uitgangsmateriaal voor veredeling). Deze genotypen zijn nodig voor een experimenteel veredelingsprogramma in M. sinensis, met als doel een hogere opbrengst en betere verbrandingskwaliteit. Daarbij moeten we de beschikbare variatie sterk uitbreiden en selectiemethoden ontwikkelen. De tweede veredelingsroute is de hersynthese van M. giganteus hetgeen plaatsvindt in het door PRI gecoördineerde EU-project BIOMIS. Dit heeft een genetische kaart met QTLs voor aan de verbrandingskwaliteit-gerelateerde eigenschappen (gehaltes aan o.a. K, Cl ) opgeleverd. Voor een tweetal QTLs zijn recentelijk PCR merkers ontwikkeld. Aandacht krijgt vooral opbrengst, bloei, minerale samenstelling, ligninegehalte en zaadzetting. Een van de doelen is een via zaad vermeerderbaar en kwalitatief hoogstaand ras van Miscanthus in de markt te zetten, waardoor de hoge plantkosten die zijn verbonden aan de vegetatieve vermeerdering, sterk gereduceerd kunnen worden. De energie-opbrengst per hectare en het saldo voor de boer zal hierdoor sterk worden verhoogd. Daarnaast gebruiken we onze kennis over celwandbiosynthese (bij aardappel en vlas/hennep) en celwandverteerbaarheid bij voedermaïs om de energie-winbaarheid uit miscanthus via saccharificatie te verhogen.
Werkzaamheden 2008:
In het eerste jaar zijn hulpmiddelen voor moleculair genetisch onderzoek aan en voor selectie bij Miscanthus sinensis ontwikkeld. Hierbij wordt uitgegaan van de beschikbare genetische merkerkaart met bijbehorende populatie en ouders en grootouders. De voorziene activiteiten in het tweede jaar zijn:

- In jaar 1 is een weefselkweek voor Miscanthus opgezet als voorbereiding op het ontwikkelen van een transformatieprotocol. Dit is van essentieel belang voor het gericht verbeteren van miscanthus als energiegewas (verbeterde celwandontsluiting, verlaagd mineraalgehalte). In december 2007/januari 2008 wordt de eerste transformatie uitgevoerd met een merkergen (GUS).
- Als de transformatie lukt, is PRI de eerste die in staat is Miscanthus te transformeren.
Als de Miscanthus transformatie enigszins operationeel is, zal gewerkt gaan worden aan het gericht verbeteren van de ontsluitbaarheid van celwand. Uit werk aan mais, blijkt dat remmen van ligninebiosynthese leidt tot verbeterde celwandverteerbaarheid. Analoog hieraan wordt verwacht dat remmen van de lignine biosynthese zal leiden tot verbeterde onsluitbaarheid. Het doel voor 2008 is om twee genen in de ligninebiosynthese te remmen met behulp van RNAi. Er zullen miscanthus specifieke PCR fragmenten voor de betrokken genen worden gegenereerd en gebruik voor het construeren van RNAi constructen. Deze worden vervolgens in het genoom van Miscanthus ingebracht.
- Op basis van gen-specieke DNA sequentiedata uit verwante soorten zijn in jaar 1 Miscanthus genen opgespoord die een rol spelen bij de synthese van celwanden. Deze aanpak omvatte vervolgens het kloneren en sequencen van de opgepikte gen-specifieke PCR fragmenten uit beide ouders van de populatie welke is gebruikt voor ontwikkeling van de BIOMIS merkerkaart. Het aantal gevonden sequentie-specifieke haplotypen is alleen verklaarbaar als uitgegaan wordt van minsten twee loci per startsequentie. Dit is niet verrassend gegeven het allotetrapoide karakter van M. sinensis. De bij elkaar horende haplotypen (SNPs/INDELs) vormen de basis voor de voorgenomen kartering van de gevonden genen.
- Voor de ontwikkeling van merkers voor QTLs van eigenschappen welke relevant zijn in relatie tot productie van bio-energie is een recent ontwikkelde profiling techniek voor peroxidasegenen (Van der Linden, PRI) getest op de ouders en grootouders van de BIOMIS populatie. Peroxidasegenen spelen ondermeer een belangrijke rol bij de celwandvorming. Gevonden polymorfismen worden in jaar 2 gekarteerd. Met QTL geassocieerde merkers worden gebruikt voor de ontwikkeling van eenvoudige selectiemerkers.
- Ten behoeve van het onderzoek/veredeling wordt in jaar 2 aandacht gegeven aan de vegetatieve vermeerdering in vitro van een beperkte set genotypen van M. sinensis.

Werkzaamheden 2009
Het voorgestelde onderzoek in jaar 3 is een voortzetting van dat in beide voorgaande jaren in gang gezette onderzoek op het gebied van moleculair en genetische onderzoek aan miscanthus en de transformatie ervan. De resultaten zijn van belang voor het lopende veredelingsprogramma:

- Het opsporen van SNP's en INDEL's in de set van kandidaatgenen wordt voortgezet om een set gen-specifieke merkers te krijgen voor genetische analyses en om inzicht te krijgen in structuur van het genoom van M. sinensis.
- In aanvulling hierop is RNA geïsoleerd uit o.a. jong stengelmateriaal van de ouders van de BIOMIS populatie voor sequentiebepalingen met 454 technologie. Hoofddoelen zijn (1) het verkrijgen voor voldoende SNPs voor grootschalige genotypering van BIOMIS populatie met hulp van Illumina arrays en (2) het krijgen van sequence tags voor tot genen die tot expressie zijn gekomen in miscanthusbiomassa.
- Fenotypering van miscanthus voor verschillende planteigenschappen, vooral de chemische samenstelling van biomassa, dit ten behoeve van selectie en genetische analyses.
- Screeningsmethoden voor criteria relevant voor conversie van biomassa in ethanol worden hiertoe eerst opgezet/ontwikkeld en getest op biomassa van de collectie, inclusief ouders van de BIOMIS populatie. Dit onderzoek loopt deels parallel aan gelijksoortig onderzoek in maïs dat naar verwachting begin 2009 kan beginnen.
- Zo gauw we een goed transformatieprotocol hebben gaan we dit gebruiken voor RNAi-induced silencing van homeologe genen welke van invloed zijn op de celwandbiosynthese; een aanpak die met succes is toegepast bij polyploiden als tarwe en maïs.
- Veredelingsonderzoek (pm)

Resultaten
De beoogde onderzoeksactiviteiten leiden tot het identificeren van genen die voor de kwaliteit van Miscanthus biomassa van belang zijn en tot het ontwikkelen van de tools die nodig zijn voor gerichte moleculaire veredeling.
Het onderzoek leidt verder direct tot een betere merkerkaart, tot instrumenten voor merkerselectie. Beide zaken zijn van direct belang voor het lopende veredelingsonderzoek aan Miscanthus. Voorts versterken de geschetste activiteiten de positie van PRI met betrekking tot de kansen van twee FP7 voorstellen, die momenteel worden voorbereid.

Publicaties bij dit project zijn beschikbaar via deze Link

Related organisations

Related people

Project leader Dr.ir. O. Dolstra

Related research (upper level)

Classification

A21000 Agriculture and horticulture
A33000 Energy

Go to page top
Go back to contents
Go back to site navigation