_ Prima- setul de date integrat de acest fel permite cercetarea dintre gene și ecosisteme

O echipă de oameni de știință ai Departamentului de Energie condusă de Laboratorul Național Oak Ridge a lansat primul set de date care unește informații moleculare despre microbiomul plopului pentru procese la nivel de ecosistem. Proiectul își propune să informeze cercetările cu privire la modul în care funcționează sistemele naturale, vulnerabilitatea lor la un climat în schimbare și, în cele din urmă, modul în care plantele ar putea fi proiectate pentru o performanță mai bună ca surse de bioenergie și stocare naturală a carbonului.

Date, descris în Date științifice, oferă informații aprofundate despre 27 de variante sau genotipuri distincte genetic ale Populus trichocarpa, un plop de interes ca cultură de bioenergie.

Genotipurile sunt printre cele conduse de ORNL. Centrul pentru inovare în bioenergie a inclus anterior într-un studiu de asociere la nivelul genomului care leagă variațiile genetice de trăsăturile fizice ale copacilor. Cercetătorii ORNL au colectat mostre de frunze, sol și rădăcini de pe câmpuri de plop din două regiuni din Oregon — una într-o zonă mai umedă supusă inundațiilor și cealaltă mai uscată și predispusă la secetă.

Detaliile din setul de date nou integrat variază de la structura genetică a copacilor și expresia genelor la chimia mediului solului, analiza microbilor care trăiesc pe și în jurul copacilor și compușii pe care plantele și microbii îi produc.

Setul de date „este fără precedent în dimensiunea sa. și domeniul de aplicare”, a spus ORNL Corporate Fellow Mitchel Doktycz, șeful de secție pentru Bioimaging și Analytics și co-conducător de proiect. „Este valoros pentru a răspunde la multe întrebări științifice diferite.” Prin extragerea datelor cu învățare automată și abordări statistice, oamenii de știință pot înțelege mai bine modul în care structura genetică, trăsăturile fizice și diversitatea chimică a lui Populus se raportează la procese precum ciclul azotului și carbonului din sol, a spus el.

„Cunoștințele pe care le-am generat de la această singură fabrică vor fi reintegrate în proiecte care produc biocombustibili din plop”, a spus Melanie Mayes, liderul grupului de procese ecosistemice de la ORNL și colaborator la proiect. „Procedura pe care am construit-o aici va fi necesară pentru bioingineria altor plante și pentru a ne ajuta să construim reziliența la schimbările climatice – pentru a avansa stocarea carbonului în sol și a reduce emisiile de gaze cu efect de seră.”

Setul complet de date cuprinde mai mult de 25 de terabyți. Legăturile către date sunt disponibile ca parte a National Microbiome Data Collaborative, sau NMDC, o inițiativă DOE care sprijină schimbul de date privind asocierea microbiomilor cu procesele de mediu.

„Setul de date reprezintă cea mai mare metagenomică disponibilă publicului. depozit pe endosfera unui copac", mediul de țesut vegetal care găzduiește comunități microbiene complexe, a spus Christopher Schadt, co-conducător de proiect și om de știință distins al personalului ORNL.

Analize detaliate ale probelor au dus la 318 metagenomi, dezvăluirea diversității microbilor care trăiesc în și în jurul copacilor prin secvențiere genetică. Nouăzeci și opt de transcriptoame de plante oferă informații despre întreaga gamă de molecule de ARN mesager exprimate în rădăcinile plantelor. Setul de date include 314 profiluri metabolomice, care furnizează informații despre moleculele mici produse de plante și microbi pe măsură ce cresc sau ca răspuns la stres.

De asemenea, sunt incluse date despre caracteristicile fizice și biogeochimice asociate solului, examinând substanțele chimice prezente și modul în care circulă prin mediu.

Integrarea acestor date „multi-omice” va oferi informații esențiale oamenilor de știință care studiază modul în care evenimentele moleculare și celulare legate de plante sunt conectate la procesele și comportamentele ecosistemului.

Joint Genome Institute, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la Lawrence Berkeley National Laboratory, a fost un colaborator apropiat al proiectului. JGI a condus profilarea metabolomică a frunzei, rădăcinii și a mediului solului sau rizosferei, secvențierea transcriptomică a rădăcinii plantei, iar metagenomica rizosferei și endosferei solului funcționează.

„Combinația de metagenomică și metabolomica din frunze, rădăcinile și solurile, împreună cu transcriptomele gazdei Populus, fac din acesta un set de date cu adevărat unic pentru comunitatea de cercetare și ar putea servi ca o resursă centrală de date pentru a explora interacțiunile plante-microbi", a declarat Emiley Eloe-Fadrosh, șeful Programului Metagenom la JGI.

Proiectul a început ca un pilot ORNL numit Bio-Scales, susținut de Divizia de Știință a Sistemelor Biologice din programul de cercetare biologică și de mediu al DOE Office of Science. Bio-Scales urmărește o mai bună înțelegere a relației plantă-microb, cu accent pe ciclul azotului. Azotul este un nutrient esențial pentru viață, dar atunci când este suprautilizat în agricultură și în alte aplicații, acesta poate dăuna calității apei sau poate fi emis sub formă de protoxid de azot puternic gaz cu efect de seră, sau N2O.

„Proiectul a necesitat integrarea foarte multă expertiză diversă”, a spus Doktycz. „A început cu o echipă care a ieșit în mijlocul COVID-19 pentru a colecta toate aceste materiale diverse și le-a adus înapoi la laborator, apoi a pregătit, analizat și extras date din ele. Am avut și o echipă de asistență tehnică incredibilă care a procesat sute de aceste mostre într-un mod urmărit și coordonat, interfacând cu Institutul Comun al Genomului pentru analiza secvenței.”

Pe lângă dimensiunea și domeniul său de aplicare, setul de date se remarcă ca fiind puternic adnotat cu metadate – cu detalii precise, de exemplu, despre unde și cum a avut loc eșantionarea și un format standard pentru raportarea ulterioară a datelor. Adăugarea acestor elemente la date face informațiile mai ușor de găsit, înțeles și reutilizat.

Stanton Martin de la ORNL, care a condus gestionarea datelor pentru proiect în strânsă coordonare cu NMDC, a remarcat că abordarea bazată pe date sprijină artificial inteligență și alte abordări analitice pentru a ajuta la rezolvarea întrebărilor științifice.

„Gestionarea datelor pe care am realizat-o în acest proiect este extrem de valoroasă pentru practicile de date pentru alte proiecte, cum ar fi Zona de focalizare științifică a interfețelor plante-microbi și Centrul pentru bioenergie. Inovație la ORNL. Se joacă cu punctele forte ale ORNL în ceea ce numesc cele trei V-uri ale managementului datelor — volumul datelor, varietatea și viteza — și ne-a permis să facem un prim pas în integrarea datelor „omice foarte mari într-un mod care nu a fost făcut înainte. ."

Proiectul a început cu Schadt și Mayes călătorind în Oregon pentru eșantionare. „În mod normal, ar fi fost șase oameni de știință, dar am avut restricții de călătorie pentru grupurile care călătoresc împreună din cauza pandemiei”, a spus Schadt. Ei au trebuit, de asemenea, să rezolve incendiile de pădure, deoarece Oregon a experimentat un sezon activ de incendii în acel an. Schadt și Mayes au lucrat cu asistența voluntarilor de la Universitatea de Stat din Oregon pentru a colecta mostre extinse geoetichetate la cele două site-uri.

Mayes a spus că proiectul „abordează rolul genelor în influențarea nu doar a soartei plantei în sine. , dar și mediul înconjurător, cum ar fi solul. De exemplu, am vrut să înțelegem potențialul microbilor din sol de a produce mai mulți nitrați sau de a elimina excesul de nitrați din sistem. Am vrut să aflăm mai multe despre modul în care genomica plantelor influențează ce sol microbii fac.”

Cunoașterea mai multor despre ciclul plantelor și al azotului din sol poate afecta emisiile de N2O, un gaz care reprezintă 6% din toate emisiile de gaze cu efect de seră din Statele Unite.

„Dacă știți ce gene să țintiți care au ca rezultat reducerea la minimum a producției de N2O sau nitrați, atunci aveți potențialul de a afecta atât încălzirea legată de gazele cu efect de seră, cât și calitatea apei”, a spus Mayes. „Ați putea, de exemplu, să selectați și să dezvoltați în continuare plante cu cel mai bun profil genetic pentru controlul acestor emisii.”

„Acest proiect este unic, deoarece atinge legătura dintre genomul plantelor și rezultatele de mediu, cum ar fi protoxidul de azot. emisii sau producția de nitrați”, a spus Mayes. „Construirea unuia dintre primele seturi de date cuprinzătoare privind relația plantă-microb ne spune, de asemenea, cât de mult mai putem învăța.”

(Fluierul)