EcoFAB可促進更好的生物能源作物發展

Unop
2024年2月29日
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深入了解植物和微生物如何協同工作以在土壤中儲存大量的大氣碳，將有助於設計更好的生物能源作物，用於應對氣候變化的挑戰。

然而，破解這種互惠關係的機制是具有挑戰性的，因為自然中的條件對科學家來說極為難以在實驗室中重現。為了解決這一挑戰，洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員創建了仿生生態系統（EcoFABs）。

在《科學進展》的最新研究中，他們展示了這些外賣盒大小的塑料生長室如何可能為全球科學家提供一個標準化和可重複的實驗平台，用於對模型植物及其根部周圍微生物的研究。

這反過來可能加速改進生物能源作物的研發，使其能夠在貧瘠土壤中生長並比目前更有效地吸收大氣中的碳。

“EcoFABs的核心理念是植物微生物組研究中，科學家需要一個平台來更好地分享數據並相互推進研究，”該研究的首席作者、伯克利實驗室環境基因組學和系統生物學部（EGSB）項目科學家弗拉斯蒂米爾·諾瓦克（Vlastimil Novak）表示。“目前約有20個實驗室在使用我們的設備，但我們最終希望讓全世界的科學家更廣泛地使用這些設備。”

在這項研究中，諾瓦克及其同事在特倫特·諾森（Trent Northen）的實驗室利用EcoFAB測試不同形式的氮如何影響草本植物Brachypodium（用作生物能源草類的模型）的根部所釋放的有機物質的產生。

氮對植物生長至關重要，諾瓦克在文獻中注意到，氮與根系分泌物（或植物根部所產生的化合物之類型）之間的關係在該草類中尚未受到充分探索。

他和他的合作者進行了實驗，向Brachypodium提供不同的氮源——氨離子、硝酸鹽或兩者的組合——並觀察根部分泌物的組成變化。他們發現，氮的不同濃度影響了根部產生的化合物類型，且當植物同時接收到氨離子和硝酸鹽時，生長最佳。

一個有趣的發現是，只有在氨離子和硝酸鹽同時存在時，根部分泌物中才會產生多巴胺（dopamine）。這表明特定的營養條件會影響某些代謝物的產生，而這可能反過來影響植物生長。

“這項研究的結果可以為養分管理實踐提供指導，基本上表明對於Brachypodium或類似的草類，同時供應氨離子和硝酸鹽對其最佳生長至關重要，”諾瓦克說。“這也給我們未來研究根部微生物組中一些有趣的有機化合物提供了思路。”

最終，EcoFAB可能與機器人技術和AI學習的進步相結合，以顯著提高植物微生物組研究的發現速度。伯克利實驗室另一個新興的發展是“EcoBOT”，這是一種能夠自主運行EcoFAB實驗的自動機器人系統。

“我們最終可以在電腦上設計實驗，然後由它全自動完成所有工作，”負責設計EcoFAB的EGSB研究科學家皮特·安德（Pete Andeer）表示。“這將是我們的最終目標：將這些EcoFAB設備與EcoBOT系統整合.”

學習的絕佳工具

除了為專業科學家提供大量的好處外，EcoFAB在教室中也留下了深刻的印記，加州的高中和社區學院學生正在使用它作為學習平台。

北森實驗室當前的EcoFAB外展活動涉及與多個教育機構的合作，包括當地高中和洛斯美丹諾斯學院（Los Medanos College）。自2020年以來，參加伯克利實驗室主任學徒計畫的高中生已經使用EcoFAB進行實驗，研究不同氮條件下的植物生長。這項研究項目持續成為計畫的一個亮點，許多學生因此對生物學和實驗室研究產生了興趣。

“EcoFAB使我們能以一種與其他單元相聯繫的方式在教室中討論微生物，”奧克蘭的天際高中（Skyline High School）生物學老師克里斯蒂娜·麥基-埃斯基維爾（Christina McGhee-Esquivel）說，她在2021年擔任伯克利實驗室K-12團隊的教師研究員時了解了EcoFAB。“這對於學生們非常重要，讓他們不僅能看到根部的生長，還能理解微生物社群。”

與生物技術夥伴（Biotech Partners）等組織的進一步合作旨在向灣區的少數族裔學校介紹生物技術教育，包括使用EcoFAB。此外，正在進行討論，以將EcoFAB納入洛斯美丹諾斯學院更多的本科教育，讓學生有機會在2024年夏季再次設計和進行自己的植物實驗。

“研究通常不是社區學院經歷的一部分，但我們的許多STEM學生希望轉學並從事研究或在實驗室工作，實習等，”洛斯美丹諾斯學院的生物學教授吉爾·布沙德（Jill Bouchard）表示。“讓他們獲得研究經驗對我們來說非常重要。這是實現這一目標的絕佳方式。”

Meta Title: EcoFAB: 促進生物能源作物研究的新平台

Meta Description: 本文探討了EcoFAB（仿生生態系統）如何改進植物微生物組的研究，助力於更好的生物能源作物設計，以應對氣候變化的挑戰。

洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。