Grant Rhaglen Strategol Sefydliad (ISPG) – Cnydau Gwydn

 

Pam dewis Miscanthus ar gyfer Bio-ynni a Phorthiant Bioadnewyddadwy?

Mae llywodraeth y DU wedi amlinellu cynlluniau i gyrraedd economi sero net o ran CO2 erbyn 2050. Mae planhigion yn cloi CO2 o’r atmosffer ac yn chwarae rhan hanfodol wrth gyrraedd targedau allyriadau drwy’r defnydd o fio-ynni a phorthiant bioadnewyddadwy.

Heb fio-ynni, mae’r Sefydliad Technolegau Ynni wedi amcangyfrif y byddai costau system ynni’r DU hyd at £44 biliwn yn uwch y flwyddyn erbyn 2050.  

Optimeiddio Lefel Cynnyrch Biomas

Mae Miscanthws yn gnwd biomas tymor hir hynod gynhyrchiol newydd sy’n cael ei ddefnyddio fel ffynhonnell ynni bioadnewyddadwy a biogynhyrchion diwydiannol. Er mwyn gwella lefelau cynnyrch, rydym ni’n ymchwilio i’r mecanweithiau genetig a ffisiolegol sy’n rheoli datblygiad Miscanthws, gan gynnwys sefydlu cnydau, twf tymor cynnar a heneiddedd yn hwyr yn y tymor.

Dull gweithredu: Rydym ni’n mabwysiadu dull gweithredu cyfannol tuag at optimeiddio datblygiad cnydau a lefel cynnyrch ar draws y cyfnod tyfu cyfan. Rydym ni’n trin bioleg hadau ac eginblanhigion, yn modelu lefel cynnyrch ar draws gwahanol safleoedd i bennu’r rhyngweithio rhwng genoteip ac amgylchedd ac rydym ni’n dadansoddi nodweddion tyfu a datblygu i nodi ideoteipiau llwyddiannus. Mae’r wybodaeth hon yn cael ei defnyddio i gynorthwyo rhaglen bridio Miscanthws IBERS. Rydym ni’n defnyddio amrywogaethau hybrid wrth fapio teuluoedd a threialon cydgymuned traws-genom i nodi cyfuniadau locysau a marcwyr sy’n gysylltiedig â nodweddion sydd o ddiddordeb i ni. Rydym ni hefyd yn defnyddio treialon tymor hir i bennu amrywiadau mewn lefelau cynnyrch, fflwcs maethynnau a fflwcs carbon i bennu effeithiau posibl tyfu Miscanthws.

Mae Miscanthws yn ymgorffori nifer fawr o nodweddion sy’n ei wneud yn ffynhonnell biomas gynaliadwy ragorol (Robson et al., 2019)

Effaith bosibl: Mae’r adroddiad NetZero ac adroddiadau eraill sy’n amlinellu cynnydd ac effeithiau posibl newid hinsawdd yn dangos yr angen i ddal carbon o’r atmosffer nawr. Mae ein rhaglen yn cyfrannu at amaethu Miscanthws ar fyrder fel cnwd blaenllaw, cyflym ei dyfiant ac uchel ei gynnyrch sy’n dal CO2 o’r atmosffer. Rydym ni’n defnyddio un o’r casgliadau amrywiol mwyaf o Miscanthws i ddiffinio ideoteipiau ar gyfer gwahanol amgylcheddau ac at ddefnydd terfynol ym meysydd bio-ynni a biotechnoleg ddiwydiannol. Mae ein rhaglen yn cyflawni effaith fyd-eang ar draws llawer o wahanol ranbarthau tyfu a sectorau masnachol.

Y boblogaeth fapio a ddefnyddiwyd i greu’r map genetig dwysedd uchel cyntaf ar gyfer Miscanthws, yn tyfu ger Aberystwyth.

Prif fewnwelediadau a chanfyddiadau’r ymchwil: Rydym ni wedi canolbwyntio ar optimeiddio twf blwyddyn 1 Miscanthws. Fel arfer, mae Miscanthws yn cael ei sefydlu o risom, ond rydym ni wedi datblygu dulliau lluosogi  newydd a'u profi yn y maes (Ashman et al., 2018; doi.org.10.1111/gcbb.12518). Fel hyn, mae modd dechrau defnyddio’r cnwd yn gyflymach, ac yn helaethach.

Rydym ni wedi nodi mynegai optimaidd o nodweddion tymor cynnar ar gyfer dethol effeithlon (Davey et al., 2017; doi:10.1093/jxb/erx339). Rydym ni wedi ymestyn y gwaith hwn i nodi mynegeion dethol i ddangos y manteision posibl i raglenni bridio o ddethol nodweddion lluosog, gan gynnwys nodweddion blodeuo hwyr ac ansawdd cnwd (Slavov et al., 2019; doi:10.1093/aob/mcy187). Mae defnyddio’r mynegeion hyn yn caniatáu i ddetholiadau mwy penodol gael eu gwneud wrth fridio.

Rydym ni wedi nodi effaith rheoli blodeuo ar lefel cynnyrch tymhorol a rhyngweithio â heneiddedd ac ansawdd cnwd (Jensen et al., 2017; doi: 10.1111/gcbb.12391). Rydym ni wedi nodi nifer o QTL ynghlwm wrth flodeuo ac wedi astudio parthau syntenig gyda chnydau eraill, a nodi locws cyffredin mewn cibogwellt. Mae hyn yn darparu marcwyr genetig i alluogi dethol ar gyfer nodwedd biomas allweddol.

Rydym ni wedi dangos bod rhai rhyngweithiadau amgylcheddol sy’n effeithio ar flodeuo yn wahanol rhwng planhigion lluosflwydd a’r rhywogaethau blynyddol sy'n destun ymchwil yn fwy cyffredin. Mae ein gwaith ni’n dangos pwysigrwydd fflwcs biomas wrth reoli datblygiad mewn planhigion lluosflwydd ac yn amlygu’r gwahaniaethau rhwng systemau blynyddol a lluosflwydd.

Mae ein nod gwreiddiol o wella lefel cynnyrch drwy ymestyn y tymor tyfu (Robson et al., 2013) wedi’i ddiweddaru yn sgil darganfyddiadau newydd am reolaeth dymhorol ar ddatblygiad Miscanthws (Robson et al., 2019). Mae’r darganfyddiadau hyn yn awgrymu bod angen i ni oresgyn terfyn biolegol cynhenid i lefel cynnyrch sy’n cyfyngu ar dwf tymhorol a chroniad biomas hyd yn oed pan fydd adnoddau digonol ar gael.

Rydym ni wedi nodi sut mae datblygiad twf coesynnau yn amrywio ar draws poblogaethau amrywiol. Mae planhigion sy’n tyfu’n gyflym yn tyfu am gyfnodau byrrach, sy’n awgrymu bod yna derfyn tymhorol i’r lefel cynnyrch (Robson et al., 2019; doi:10.1111/gcbb.12610). Bydd gwella ein dealltwriaeth o reolaeth luosflwydd twf tymhorol yn caniatáu i ni ddatblygu strategaethau optimaidd ar gyfer gwella lefel cynnyrch.

Rydym ni wedi sefydlu’r tueddiadau yn ystod treialon lefel cynnyrch tymor hir o hyd at 14 mlynedd gan ddefnyddio amrywogaethau Miscanthws hybrid gwahanol gyda lefel cynnyrch uchel. Rydym ni wedi dangos bod lefelau carbon organig y pridd yn cael eu hailgyflenwi’n gyflym ar ôl plannu, a’u cynnal yn y tymor hir (Holder et al., 2019; doi:10.1111/gcbb.12624). Mae’r gwaith hwn yn dangos manteision defnyddio cnydau lluosflwydd sy’n sefydlu ecosystemau pridd cadarn.

 

Lleiniau Miscanthws masnachol sy’n cael eu defnyddio i ddadansoddi dynameg twf coesynnau (Robson et al., 2019), treialon lefelau cynnyrch tymor hir a dadansoddi fflwcs carbon mewn gwahanol systemau amaethyddol (Holder et al., 2019)

Gwydnwch yn wyneb Straen

Ein nod yw pennu’r mecanweithiau moleciwlaidd a ffisiolegol sy’n gallu gwneud Miscanthws yn wydn yn wyneb straen amgylcheddol, gan gynnwys cyfyngiadau ar ddŵr a maethynnau. Mae genom a microbïom y planhigyn yn destun ymchwil i optimeiddio nodweddion gwydnwch. Bydd y dulliau gweithredu cyfunol hyn yn cynhyrchu dealltwriaeth o fioleg Miscanthws sy’n sail i berfformiad o dan amodau straen lluosog mewn gwahanol gyfnodau bywyd, ac yn galluogi modelu ar gyfer gwydnwch mewn sefyllfaoedd hinsawdd amrywiol.

Dull gweithredu: Mae genoteipiau Miscanthws yn cael eu rhoi o dan straen maethynnau a dŵr, mewn arbrofion amgylchedd rheoledig ac yn y maes, ac mae ymatebion mynegiant ffenotypig, ffisiolegol a genynnau yn cael eu dadansoddi. Mae hybu twf planhigion gan endoffytau bacterol newydd yn cael ei brofi o dan gyfundrefnau maethynnau a dŵr cyfyngedig. Caiff gwydnwch ei ystyried yn nhermau cynnyrch biomas ac ansawdd.

Mae cyfleuster aer-planhigyn-pridd newydd yn cael ei ddefnyddio i ddeall y mecanweithiau sy’n cyflawni perfformiad uchel planhigion hybrid elît o'r rhaglen bridio Miscanthws o dan straen mewn amgylchedd mwy realistig.

Pum genoteip Miscanthws cynnyrch uchel yn tyfu mewn potiau o dan amodau tŷ gwydr ac yn cael eu trin â thriniaethau straen dŵr a reolir drwy ddull grafimetrig.  Casglwyd samplau o’r planhigion i nodi gwahaniaethau metabolaidd a thrawsgrifiol  rhwng genoteipiau a thriniaethau.

Effaith bosibl: Bydd y gwaith hwn yn cyfrannu at amaethu Miscanthws yn gyflymach; at y diffiniad o ideoteipiau yn y dyfodol, gan gynnwys rhyngweithio optimaidd rhwng planhigion a microbau; ac at ddatblygu amrywogaethau biomas newydd gyda gwell gwydnwch ar gyfer gwahanol amgylcheddau’r DU.

Prif fewnwelediadau a chanfyddiadau’r ymchwil: Ein nod yw deall y fioleg sy’n sail i ymatebion i straen amgylcheddol ar wahanol gyfnodau bywyd ac i gynyddu gwydnwch cnydau o ran maint ac ansawdd biomas. Er mwyn mynd i’r afael â hyn, mae genoteipiau Miscanthws a rhywogaethau model wedi wynebu straen amgylcheddol, yn unigol ac mewn gwahanol gyfuniadau, i bennu rheoleiddiad mecanistig perfformiad a gwydnwch; ac rydym ni hefyd wedi sefydlu 5 genoteip Miscanthws mewn 4 lleoliad maes ar hyd graddiant uchderol o 70m i 340m uwchlaw lefel y môr.

Rydym ni wedi nodi nifer o genoteipiau sy’n cynnal lefel cynnyrch uwch na M. x giganteus mewn triniaethau rheoli a sychder, gan amlygu’r potensial ar gyfer datblygu genoteipiau Miscanthws a chyltifarau sy’n wydn yn wyneb straen sychder.

Rydym ni wedi defnyddio cyfleuster aer-planhigyn-pridd newydd i reoli statws dŵr plasm cenhedlu gwahanol a dangos bod Miscanthws yn gallu echdynnu dŵr lawr hyd at -50 bar, tua theirgwaith pwynt gwywo disgwyliedig cnydau fel gwenith. Cadarnhawyd hyn mewn genoteipiau a dyfwyd yn y maes yn ystod sychder eithafol 2017, ac rydym ni’n dal i geisio deall y mecanweithiau sy’n caniatáu i blanhigion Miscanthws gyflawni hyn.

Mae endoffytau bacteriol yn destun sylw cynyddol fel hyrwyddwyr twf planhigion amgen ac am eu potensial i leddfu straen amgylcheddol. Rydym ni wedi nodi nifer o endoffytau bacteriol newydd a ynyswyd o hadau Miscanthws a phlanhigion goddefol o halen sy’n effeithio ar nodweddion yn ymwneud â thwf y teulu Brachypodium. Maen nhw’n cynnwys hyrwyddo twf, cynyddu taldra planhigion, cynhyrchiant pennau hadau neu bwysau sych naill ai gyda neu heb driniaeth halwynedd, ac mae nifer o arunigion wedi perfformio’n well na rhywogaethau sydd wedi’u cyhoeddi. Mae gwaith dadansoddi pellach ar y gweill i bennu’r genynnau a’r llwybrau sy’n gysylltiedig â rhyngweithio buddiol rhwng planhigion a microbau.

Microscopeg Raman o eginblanhigyn Miscanthws dirlawn, yn dangos signal sy’n gyson ag asid dipicolinig, un o brif elfennau’r got endosbor facteriol (Cope‐Selby et al. GCB Bioenergy 9.1 (2017): 57-77)

 

Endoffytau bacteriol wedi’u gosod ar gyfrwng Bacillus ChromoSelect, gan nodi’r amrywiaeth sy’n bresennol. Llun drwy garedigrwydd Islam Abd-El Daim

Rydym ni wedi dangos bod rhyddhau siwgr o fiomas Miscanthws drwy hydrolysis ensymatig, wedi’i ddefnyddio fel ffordd o fesur ansawdd biomas, yn cael ei effeithio’n sylweddol gan amodau amgylcheddol (straen sychder a straen maetholion, yn unigol ac mewn cyfuniad) mewn modd sy’n ddibynnol ar straen, genoteip ac organau.