การศึกษาระดับการแสดงออกของยีน cellulose synthase และยีน phenylalanine ammonia-lyase ในหญ้าเนเปียร์ลูกผสม (Pennisetum hybrid) (Expression analysis of cellulose synthase and phenylalanine ammonia-lyase genes in Napier grass hybrids (Pennisetum hybrid))
Keywords:
ไบโอเอทานอล (bioethanol), หญ้าเนเปียร์ (Napier grasses), เซลลูโลส (cellulose), ลิกนิน (lignin)Abstract
It is well-known that bioethanol has become one of the most important alternative energy sources. However, many plant materials being used for bioethanol production are food crops such as sugarcane, corn and cassava. Using these crops might raise the production cost of bioethanol and also cause the problem of food scarcity. Napier grasses (Pennisetum spp.) is a non-food crop that has high potential to be used as plant material for bioethanol production according to the high cellulose content, and low level of lignin, which limits bioethanol production efficiency. Therefore, this research aims to study the expression of genes involve in cellulose and lignin biosynthesis, including cellulose synthase (CesA5 and CesA7) and phenylalanine ammonia-lyase (PAL), in 19 lines of napier grasses. The results showed that the expression of CesAs was highly abundant in 10 napier lines; NL, NT, BN, NLP, AF, NY, NP, NS, NV and NK while the expression of PAL was less abundant among these lines. Thus, these napier lines were selected for further physiological investigation to evaluate their potential as plant materials for bioethanol production.
บทคัดย่อ
ไบโอเอทานอล (bioethanol) เป็นหนึ่งในพลังงานทางเลือกที่มีความสำคัญอย่างมากในปัจจุบัน แต่พืชวัตถุดิบในการผลิตส่วนใหญ่ยังคงเป็นพืชอาหาร เช่น อ้อย ข้าวโพด และมันสำปะหลัง ทำให้พืชอาหารอาจขาดแคลนและมีราคาสูงได้ ดังนั้นหญ้าเนเปียร์ซึ่งไม่ใช่พืชอาหาร มีองค์ประกอบเป็นเซลลูโลสสูง และมีปริมาณลิกนินซึ่งเป็นผลเสียต่อกระบวนการผลิตไบโอเอทานอลต่ำ จึงเป็นพืชที่มีศักยภาพอย่างมากในการพัฒนาเป็นวัตถุดิบในการผลิตไบโอเอทานอล การวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาระดับการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์เซลลูโลสและลิกนิน ได้แก่
ยีน Cellulose synthase (CesA5 และ CesA7) และยีน Phenylalanine ammonia-lyase (PAL) ในหญ้าเนเปียร์ลูกผสม (Pennisetum hybrid) จำนวน 19 สายพันธุ์ เพื่อเป็นแนวทางคัดเลือกสายพันธุ์ที่เหมาะสมในการผลิตไบโอเอทานอล จากผลการทดลองพบว่าสายพันธุ์ เนเปียร์ยักษ์ลำปาง (NL), เนเปียร์ไต้หวัน A25 (NT), บานา (BN), เนเปียร์ปากช่อง 1 LP (NLP), อาลาฟัล (AF), เนเปียร์ยักษ์ (NY), เนเปียร์เพชรบูรณ์ (NP) และ เนเปียร์จักรพรรดิสุราษฎ์ (NS) มีระดับการแสดงออกของยีน CesA7 และค่าสัดส่วนการแสดงออกของยีน CesAs/PAL สูง และมีปริมาณเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบสูง 64–74% ชี้ให้เห็นว่าหญ้าเนเปียร์กลุ่มนี้มีศักยภาพสำหรับใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตไบโอเอทานอลที่ควรมีการศึกษาเพิ่มเติมและพัฒนาต่อยอดต่อไป
References
Burton RA, Gibeaut DM, Bacic A, Findlay K, Roberts K, Hamilton A, Baulcombe DC, Fincher GB (2000) Virus-induced silencing of a plant cellulose synthase gene. Plant Cell 12: 691–705.
Chu Z, Hao C, Zhang Y, Zhang Z, Zheng N, Yin B, Yan H, Zhu L, Zhao X, Yuan M, et al. (2007) Knockout of the AtCESA2 gene affects microtubule orientation and causes abnormal cell expansion in Arabidopsis. Plant Physiol 143: 213–224.
Fornalé S, Capellades M, Encina A, Wang K, Irar S, Lapierre C, Ruel K, Joseleau JP, Berenguer J, Puigdome`necha P, et al. (2012) Altered lignin biosynthesis improves cellulosic bioethanol production in transgenic maize plants down-regulated for cinnamyl alcohol dehydrogenase. Molecular Plant 5: 817–830.
Gimeno J, Eattock N, Deynze AV, Blumwald E (2014) Selection and validation of reference genes for gene expression analysis in switchgrass (Panicum virgatum) using quantitative real-time RT-PCR. PLoS ONE
: e91474. doi:10.1371/journal.pone.0091474.
Goering HK, Van Soest, PJ (1970) Forage fibre analyses (apparatus, reagents, procedures, and some applications). Agriculture Handbook No. 379, Agric Res Serv, USDA, Washington, DC, USA
Kataria R, Ghosh S (2011) Saccharification of Kans grass using enzyme mixture from Trichoderma reesei for bioethanol production. Bioresour Technol. 102: 9970 – 9975.
Keshwani DR, Cheng JJ (2009) Switchgrass for bioethanol and other value-added applications: A review. Bioresour Technol. 100: 1515–1523.
Kumar R, Singh S, Singh O (2008) Bioconversion of lignocellulosic biomass: biochemical and molecular perspectives. J Ind Microbiol Biotechnol 35: 377–391.
Maksup S, Supaibulwatana K, Selvaraj G (2013) High-quality reference genes for quantifying the transcriptional responses of Oryza sativa L. (ssp. indica and japonica) to abiotic stress conditions. Chin Sci Bull 58: 1919–1930.
Sewalt VJH, Ni W, Blount JW, Jung HC, Masoud SA, Howles PA, Lamb C, Dixon RA (1997) Reduced lignin content and altered lignin composition in transgenic tobacco down-regulated in expression of L-phenylalanine ammonia-lyase or cinnamate 4-hydroxylase. Plant Physiol 115: 41–50.
Sousa Azevedo AL, Costa PP, Machado JC, Machado MA, Pereira AV, Silva Lédo FJ (2012) Cross species amplification of microsatellite markers in and genetic diversity of Napier grass accessions. Crop Sci Soc Amer 52: 1776–1785.
Van Soest PJ, Robertson JB, Lewis BA (1991) Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition. J Dairy Sci 74: 3583–3597.
Wanjala BW, Obonyo M, Wachira FN, Muchugi A, Mulaa M, Harvey J, Skilton RA, Proud J, Hanson J (2013) Genetic diversity in Napier grass (Pennisetum purpureum) cultivars: implications for breeding and conservation. AoB Plants 5: plt022 doi:10.1093/aobpla/plt022.
Yasuda M, Nagai H, Takeo K, Ishii Y, Ohta K (2014) Bio-ethanol production through simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF) of a low-moisture anhydrous ammonia (LMAA)-pretreated napiegrass (Pennisetum purpureum Schumach). Springer Plus 3: 333.
Yasuda M, Takeo K, Nagai H, Uto T, Yui T, Matsumoto T, Ishii Y, Ohta K (2013) Enhancement of ethanol production from Napier grass (Pennisetum purpureum Schumach) by a low-moisture anhydrous ammonia pretreatment. J Sustain Bioener Systems 3: 179–185.
