Research Article

Oleaginous crops as integrated production platforms for food, feed, fuel and renewable industrial feedstock

Manipulation of plant lipid composition via metabolic engineering and new opportunities from association genetics for crop improvement and valorisation of co-products

Les oléagineux en tant que plateformes intégrées de production pour l’alimentation humaine et animale, les carburants et les matières premières industrielles renouvelables

Manipulation de la composition lipidique de la plante par ingénierie métabolique et nouvelles opportunités d’associations génétiques pour l’amélioration des cultures et la valorisation des coproduits

¹ Department of Biological Chemistry and Crop Protection, Rothamsted Research, Harpenden, Herts, AL5 2JQ, UK
² CNAP, Department of Biology, University of York, Heslington, YO10 5DD, UK

^* Correspondence: frederic.beaudoin@rothamsted.ac.uk

Received: 25 September 2014
Accepted: 6 October 2014

Abstract

The world faces considerable challenges including how to produce more biomass for food, feed, fuel and industrial feedstock without significantly impacting on our environment or increasing our consumption of limited resources such as water or petroleum-derived carbon. This has been described as sustainable intensification. Oleaginous crops have the potential to provide renewable resources for all these commodities, provided they can be engineered to meet end-use requirements, and that they can be produced on sufficient scale to meet current growing world population and industrial demand. Although traditional breeding methods have been used successfully to modify the fatty acid composition of oils, metabolic engineering provides a more rapid and direct method for manipulating plant lipid composition. Recent advances in our understanding of the biochemical mechanisms of seed oil biogenesis and the cloning of genes involved in fatty acid and oil metabolic pathways, have allowed the generation of oilseed crops that produce ‘designer oils’ tailored for specific applications and the conversion of high biomass crops into novel oleaginous crops. However, improvement of complex quantitative traits in oilseed crops remains more challenging as the underlying genetic determinants are still poorly understood. Technological advances in sequencing and computing have allowed the development of an association genetics method applicable to crops with complex genomes. Associative transcriptomics approaches and high throughput lipidomic profiling can be used to identify the genetic components controlling quantitative variation for lipid related traits in polyploid crops like oilseed rape and provide molecular tools for marker assisted breeding. In this review we are citing examples of traits with potential for bio-refining that can be harvested as co-products in seeds, but also in non-harvested biomass.

Résumé

Le monde fait face à des défis considérables, incluant le moyen de produire davantage de biomasse pour l’alimentation humaine et animale, les carburants et les matières premières industrielles, et ce sans impact environnemental significatif ou sans accroître notre consommation de ressources limitées comme l’eau ou le carbone dérivé du pétrole. Cela a été décrit comme de l’intensification durable. Les oléagineux disposent du potentiel nécessaire pour fournir des ressources renouvelables pour toutes ces matières premières, sous réserve qu’ils puissent être manipulés de manière à respecter les exigences d’utilisation finale et qu’ils puissent être produits à une échelle suffisante, répondant ainsi à une pression démographique mondiale et à une demande industrielle croissantes. Bien que des méthodes de reproduction traditionnelles aient été utilisées avec succès pour modifier la composition en acides gras des huiles, l’ingénierie métabolique fournit une méthode plus rapide et plus directe pour manipuler la composition en lipides des végétaux. Des avancées récentes dans notre compréhension des mécanismes biochimiques de biogenèse d’huile dans les graines et le clonage de gènes impliqués dans les voies métaboliques des acides gras et huiles, ont permis la génération d’oléagineux produisant des “huiles sur mesure”, adaptées à des demandes spécifiques et la conversion de variétés à haut potentiel de biomasse en nouvelles variétés oléagineuses. Cependant, l’amélioration de caractères quantitatifs complexes chez les oléagineux demeure difficile, les déterminants génétiques sous-jacents étant toujours mal compris. Néanmoins, des avancées technologiques dans le séquençage des acides nucléiques et le traitement informatique ont permis le développement d’une méthode de génétique d’association applicable aux plantes ayant des génomes complexes. Ainsi, des approches de transcriptomiques associatives et de profilage lipidomique à haut débit peuvent être utilisées afin d’identifier les composants génétiques contrôlant la variation quantitative de caractères liés aux lipides chez les plantes polyploïdes comme le colza, et de fournir des outils moléculaires pour la sélection assistée par marqueur moléculaire. Dans cette revue, nous citons des exemples de caractères présentant un potentiel pour le bioraffinage qui peuvent être récoltés comme des coproduits dans les graines, mais aussi dans la biomasse non-récoltée.