Effects of lignin modification and Cd exposure on growth and development and the endophytic bacterial communities of Arabidopsis thaliana

Abstract

Fossil energy has been exploited since the industrial revolution. However, because the stocks are finite and the energy demand is rising due to a growing world population, this would lead to energy insecurity and thus results in an increasing demand for alternative renewable power sources (e.g. biofuels: bioethanol, biodiesel and biogas). Second generation biofuels, produced from lignocellulosic biomass (poplar, switchgrass, Miscanthus sp. and others), are a good alternative to meet the demand for renewable energy sources. An additional advantage is that these crops can be grown on marginal and degraded lands (e.g. cadmium (Cd) contaminated soil). Using these types of lands for growing energy crops can reduce the conflict between the production of food and biofuels, which is a major concern for the first generation biofuels made from food crops. In these lignocellulosic energy crops, photosynthetically fixed carbon is accumulated in the cell walls of the plants. After harvesting these plants, the sugars from the cell walls can be extracted (saccharification) and fermented into bioethanol. However, the recalcitrance of lignin in the lignocellulosic biomass forms an obstacle by lowering the efficiency of the conversion process. Genetically modified (GM) energy crops with a lower lignin content and/or a different lignin composition can partially overcome this problem. However, modification of genes involved in the monolignol biosynthesis pathway can lead to accumulation of phenolic intermediates of this pathway and derivatives thereof (e.g. ferulic acid). These phenolic compounds are assumed to have negative effects on plant growth (e.g. for CCR down-regulated plants). Furthermore, these soluble phenolics can possess antimicrobial activity or may serve as new carbon sources for microbes living inside the plants. In this way, the plant microbiome, which is important for plant health and growth, may be affected in these lignin-reduced plants.

Fossiele energiebronnen worden sinds de industriële revolutie op steeds grotere schaal aangewend. Omdat de voorraad van deze bronnen eindig is en de energievraag mede door de groeiende wereldbevolking blijft stijgen, zal dit leiden tot een onzekerheid in het energieaanbod. Dit zal leiden tot een alsmaar toenemende vraag naar alternatieve hernieuwbare energiebronnen (vb. biobrandstoffen: bioethanol, biodiesel en biogas). Tweede generatie biobrandstoffen worden geproduceerd uit lignocellulose biomassa (zoals onder andere populier en grassoorten (Panicum virgatum, Miscanthus sp. en andere)) en zijn een goed alternatief om mede de stijgende vraag naar hernieuwbare energie te beantwoorden. Een bijkomend voordeel is dat deze gewassen op marginale en gedegradeerde bodems (vb. cadmium (Cd) verontreinigd) geteeld kunnen worden. Het gebruik van dergelijk types land voor het groeien van energiegewassen kan het conflict tussen de productie van voedsel en biobrandstof verminderen, een conflict dat een groot probleem vormt voor de eerste generatie biobrandstoffen gemaakt uit voedsel. In deze lignocellulose energie gewassen worden grote hoeveelheden fotosynthetisch gefixeerde koolstof opgestapeld in de celwanden van de plant. Na het oogsten van deze planten kunnen de suikers uit celwanden geëxtraheerd worden (saccharificatie) en gefermenteerd naar bioethanol. Tijdens dit proces vormt de recalcitrantie van het lignine in de lignocellulose biomassa een obstakel door het verlagen van de efficiëntie van het omzettingsproces. Genetisch gemodificeerde (GM) energiegewassen met een lagere lignine-inhoud en/of een andere ligninesamenstelling kunnen dit probleem gedeeltelijk omzeilen. Modificatie van genen betrokken in de biosynthese van monolignolen kan echter leiden tot de accumulatie van fenolische intermediairen en afgeleiden daarvan (vb. ferulinezuur). Er wordt verondersteld dat deze ophoping van fenolische verbindingen de basis voor de negatieve impact op de plantengroei vormt (vb. in CCR-neergereguleerde planten). Daarenboven kunnen oplosbare fenolen antimicrobiële activiteit vertonen of kunnen ze als nieuwe koolstofbronnen aangewend worden door microben die leven in de plant. Op deze manier kan het microbioom, dat belangrijk is voor de gezondheid en groei van de plant, wijzigingen ondergaan in deze lignine-gereduceerde planten.