Evgeniy Donev, doktorand i Ewa Mellerowic´s grupp vid UPSC, undersökte olika strategier för att genetiskt förbättra hybridasp för biobränsleproduktion. Tanken är att göra sockerarter i vedcellväggar, som är grunden för biobränsleproduktion, mer tillgängliga genom att modifiera cellväggsstrukturen. Utifrån hans resultat föreslår Evgeniy Donev att använda milda modifieringar begränsade till vissa vävnader och testa dem både i växthus och i fält. Han råder också till försiktighet när svampproteiner introduceras eftersom de kan utlösa ett immunsvar bara genom dess blotta närvaro. Evgeniy Donev försvarar sin doktorsavhandling vid Sveriges Lantbruksuniversitet tisdagen den 16 november 2021.
Hur fick du kännedom om ditt doktorandprojekt och vad var det som väckte ditt intresse?
Nicolas Delhomme och Nathaniel Street från UPSC var mina lärare under min masterexamen som civilingenjör i bioteknik vid Umeå universitet. Via ett studentbioinformatikprojekt träffade jag min doktorandhandledare Ewa Mellerowicz. Redan under studietiden insåg jag att jag inte bara vill hålla på med bioinformatik utan också förstå mer om biologin bakom. Ewa Mellerowicz planerade en hel serie av olika experiment och ville analysera dem med många tekniker, däribland komplexa metoder med stor datamängd som kräver viss bioinformatisk kunskap. Jag var väldigt intresserad så när jag avslutade min masteruppsats i hennes grupp ville jag inte avsluta projektet. Som tur var tyckte hon detsamma och erbjöd mig att fortsätta som doktorand.
Du valde som underrubrik till din avhandling "From design to the field". Varför är det viktigt tycker du?
Min avhandling tar upp flera problem som är viktiga för att förbättra träd - i vårt fall hybridasp - för bioraffinaderi och biobränsleproduktion. Vi identifierade de bästa ingenjörsstrategierna utifrån experiment i växthus och i fält. För att utvärdera prestandan hos lovande genetiskt förbättrade växter är det viktigt att testa dem i en miljö som överensstämmer med deras vanliga odlingsförhållanden. Ofta växer genetiskt modifierade växter bra i växthus men uppvisar oönskade reaktioner i fält där de måste klara av en mängd olika påfrestningar som torka eller patogenattacker. Sådana oönskade reaktioner kan utradera alla positiva effekter från en viss genmodifiering.
Vilken teknik är bäst för att modifiera hybridaspträd för biobränsleproduktion?
Vi undersökte en samling hybridaspar där olika cellväggsegenskaper modifierats för att göra cellulosan och de ingående sockerarterna mer tillgängliga för biobränsleproduktion. Träd där modifieringen introducerades till hela växten påverkades starkare och visade mer oönskade reaktioner än träd där modifieringen var begränsad till vissa vävnader som exempelvis ved.
En del av våra modifierade träd växte bättre i växthuset såväl som på fältet. Den relativa mängden socker som vi utvann från dessa träd var inte mycket högre än i icke-modifierade träd, men de gav mer biomassa. Så den totala mängden sockerarter var högre. Tvärtom såg vi att vi förlorar redan alla vinster som vunnits genom modifieringen när de modifierade träden växte tjugo procent mindre än icke-modifierade träd. Vår slutsats är att ingenting kan ersätta en minskad tillväxt, och vi bör därför välja skonsamma och mer specifika tekniker.
Vilket av dina resultat var mest oväntat för dig?
Vi uttryckte ett protein från en svamp som förmultnar ved i hybridasp för att luckra upp cellväggsstrukturen och därmed göra cellulosa mer tillgänglig. Det såg ut att fungera eftersom vi kunde extrahera mer socker från dessa träd, men de icke-specifika effekterna var tydliga. Träden var kortväxta, tappade sina löv alltför tidigt och visade starka immunförsvarsreaktioner. Först när vi begränsade proteinaktiviteten till vedvävnad kunde vi undvika sådana oönskade effekter och växterna såg normala ut. Men jag började undra ifall blotta närvaron av svampgenen kunde igenkännas av växten och utlösa ett immunsvar. För att testa detta introducerade vi en inaktiv version av proteinet i hybridasp, och vi såg samma starka effekter på växten. Det visade sig att proteinet vi introducerade känns igen av växten som patogent och orsakar ett immunsvar. Socker remobiliseras som en del av detta svar för att förse växternas immunsystem med den nödvändiga energin, vilket möjligtvis kan påverka sockerkoncentrationen som extraheras från ved i dessa växter.
Vilka var de största utmaningarna du ställdes inför under din doktorsexamen?
Min grupp fokuserar på cellväggbildning i ved och inte växt-patogen interaktion. Det var svårt att övertyga dem om att ändringen vi såg i de träd där svampproteinet var aktivt i hela växten, kommer från immunsystemets reaktion och inte från aktiviteten hos det införda svampproteinet. Jag var tvungen att gräva djupt i tillgänglig litteratur och utveckla min analysförmåga, tänka igenom min berättelse grundligt och fortsätta diskutera i gruppen. Jag är mycket tacksam gentemot Ewa Mellerowicz eftersom hennes stöd och förtroende för mina kunskaper, i kombination med hennes positivt krävande attityd, motiverade mig mycket under denna tid.
Vad är dina planer nu?
Forskning inom växtvetenskap kommer på ett eller annat sätt vara en del av min framtid, inte minst för att jag ser att många obesvarade frågor kvarstår. Jag planerar att stanna i Ewa Mellerowicz´s grupp under nästa år. Vi har flera mycket spännande projekt som vi arbetar med just nu och jag hoppas att vi genererar användbar kunskap för att bättre förstå växternas komplexa system.
Text: Anne Honsel
Evgeniy Donev, Umeå Plant Science Centre, Institutionen för skoglig genetik och växtfysiologi, Sveriges Lantbruksuniversitet, försvarar sin doktorsavhandling tisdagen den 16 november 2021. Fakultetsopponent är Sharon Regan, Department of Biology, Queens University, Kingston Ontario, Canada. Handledare är Ewa Mellerowicz. Avhandlingen direktsänds via Zoom.
Avhandlingens titel: Modification of forest trees by genetic engineering - From design to the field