Date of Award

11-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Horticulture

Department

Integrative Agriculture

First Advisor

Dr. Elke Gabriel Neumann

Second Advisor

Dr. Ayesha Alam

Abstract

All agricultural plant production requires investment of water, energy, and land, especially in the Gulf Region, where environmental conditions are not ideally suitable for crop farming. Currently, less than 40% of agricultural plant biomass production constitutes food, which greatly limits the overall feasibility of food production systems worldwide. Crop residues constitute over half of global agricultural biomass, and food waste and biomass from public parks and gardens further add to the vast pool of non-edible plant material. Existing valorization strategies for such material cannot compensate for the enormous amounts of water, energy, land, and human resources invested in their production. A comparatively small portion of non-edible plant biomass is suitable as feed for farm animals and can be converted into animal products at ratios of typically 7–10%. Given the poor conversion efficiency and high greenhouse gas emissions of animal production systems, innovative solutions for conversion of non-edible into edible biomass are urgently required.

The present study tested the concept of conversion of non-edible crop residues into edible plant material via heterotrophic plant organ cultures rather than farm animals. Following acid, enzymatic, or microbial hydrolysis, cellulosic waste can be converted into a mixture of monosaccharides, dominated by glucose. The present study characterized the ability of in vitro crop root organ cultures to utilize externally provided sugars for growth, thus converting soluble carbohydrates into edible plant biomass. Results revealed that plant species differ in their heterotrophic capabilities. When grown on sucrose, basil roots were able to convert up to 70% of the supplied carbon into their biomass. Conversion rates on media based on glucose were slightly less efficient compared with those based on sucrose but still achieved conversion rates of up to 50%. The efficiency by which cellulosic plant material can be converted into sugars typically lies in the range of 50–70%. Based on this and the results of the present study, root organ cultures would achieve an overall conversion efficiency of 25–30%, far outperforming farm animals and other existing bioreactor-based conversion systems, e.g., based on cell cultures, bacteria, or algae. The present study identified likely opportunities for further improvement of this conversion system. As revealed by the mineral element analysis of the root organ cultures, the Ca and P supply of these plant tissues likely limited their growth performance. Future studies should elucidate reasons for this and develop strategies for increasing the availability of these elements to in vitro root cultures. A comparison of different gelling agents and physical properties of the growth medium revealed only small differences, suggesting that the gelling agent type and strength are not major determinants of culture performance. Liquid cultures showed similar performance to solid media in utilizing sucrose for growth. Further conversion efficiency improvement can likely be achieved by culture aeration, e.g., through forced ventilation. Based on the present findings, T-DNA transformation of root organs is not a prerequisite to achieving high biomass conversion rates. In non-transformed, adventitious roots supplied with IBA, the conversion efficiency likely increases with an increasing number of explants added to the culture medium.

Arabic Abstract

تقييم فرص زراعة جذور النبات غيري التغذية كغذاء: تحسين ظروف الزراعة ومصادر الكربوهيدرات

جميع إنتاج النباتات الزراعية يتطلب استثمار المياه والطاقة والأرض، وخاصة في منطقة الخليج، حيث إن الظروف البيئية ليست مثالية لزراعة المحاصيل. وفي الوقت الحالي، يشكل الغذاء أقل من 40% من المنتجات الزراعية، مما يحد بشكل كبير من الجدوى الإجمالية لأنظمة إنتاج الأغذية في جميع أنحاء العالم. وتساهم مخلفات المحاصيل الزراعية بأكثر من نصف الإنتاج العالمي للنباتات الزراعية، كما تضيف نفايات الغذاء والكتلة الحيوية من الحدائق العامة والمتنزهات إلى مجموعة هائلة من المواد النباتية غير الصالحة للأكل. إن استراتيجيات تثمين هذه المواد الحالية لا يمكنها التعويض عن الكميات الهائلة من المياه والطاقة والأراضي والموارد البشرية المستثمرة في إنتاجها. إن جزءًا صغيرًا نسبيًا من الكتلة الحيوية النباتية غير الصالحة للأكل مناسب كعلف للحيوانات في المزارع ويمكن تحويلها إلى منتجات حيوانية بنسب تتراوح عادةً بين 7 و10%. ونظرًا لضعف كفاءة التحويل وارتفاع انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري من أنظمة الإنتاج الحيواني، هناك حاجة ماسة إلى حلول مبتكرة لتحويل الكتلة الحيوية غير الصالحة للأكل إلى كتلة حيوية صالحة للأكل.

اختبرت الدراسة الحالية مفهوم تحويل بقايا المحاصيل غير الصالحة للأكل إلى مواد نباتية صالحة للأكل من خلال زراعة أعضاء نباتية غير ذاتية التغذية بدلاً من حيوانات المزرعة. بعد التحلل المائي الحمضي أو الإنزيمي أو الميكروبي، يمكن تحويل النفايات السلولوزية إلى مزيج من السكريات الأحادية، التي يهيمن عليها الجلوكوز. وقد تناولت الدراسة الحالية قدرة مزارع الأعضاء الجذرية للمحاصيل المزروعة في المختبر على الاستفادة من السكريات المقدمة خارجيًا للنمو، وبالتالي تحويل الكربوهيدرات القابلة للذوبان إلى كتلة حيوية نباتية صالحة للأكل. كشفت النتائج أن أنواع النباتات تختلف في قدراتها على التغذية غير المتجانسة. فعندما نمت على السكروز، كانت جذور الريحان قادرة على تحويل ما يصل إلى 70% من الكربون المزود إلى كتلتها الحيوية. وكانت معدلات التحويل على الوسائط القائمة على الجلوكوز أقل كفاءة قليلاً مقارنة بتلك القائمة على السكروز، ولكنها لا تزال تحقق معدلات تحويل تصل إلى 50%. وتتراوح كفاءة تحويل المواد النباتية السلولوزية إلى سكريات عادةً بين 50 و70%. وبناءً على هذا ونتائج الدراسة الحالية، فإن مزارع الأعضاء الجذرية ستحقق كفاءة تحويل إجمالية تتراوح بين 25 و30%، متفوقة بشكل كبير على الحيوانات في المزرعة وغيرها من أنظمة التحويل القائمة على المفاعلات الحيوية القائمة، على سبيل المثال، القائمة على مزارع الخلايا أو البكتيريا أو الطحالب. وقد حددت الدراسة الحالية الفرص المحتملة لمزيد من التحسين لنظام التحويل هذا. وكما كشف تحليل العناصر المعدنية لاستزراع أعضاء الجذر، فإن إمداد هذه الأنسجة النباتية بالكالسيوم والفوسفور ربما حد من أداء نموها. وينبغي للدراسات المستقبلية أن توضح أسباب ذلك وأن تطور استراتيجيات لزيادة توفر هذه العناصر لثقافات الجذور في المختبر. وقد كشفت المقارنة بين عوامل التجلط المختلفة والخصائص الفيزيائية لوسط النمو عن اختلافات صغيرة فقط، مما يشير إلى أن نوع عامل التجلط وقوته ليسا من العوامل الرئيسية التي تحدد أداء تقنية الثقافة. العوامل الرئيسية التي تحدد أداء تقنية الثقافة. ولم تختلف الثقافات السائلة عن تلك الموجودة على الوسائط الصلبة في قدرتها على استخدام السكروز للنمو. ومن المحتمل أن يتحقق مزيد من التحسن في كفاءة التحويل من خلال تهوية الحمض النووي لأعضاء الثقافة، على سبيل المثال من خلال التهوية القسرية. وبناءً على النتائج الحالية، فإن تحويل T-DNA لأعضاء الجذر ليس شرطًا أساسيًا لتحقيق معدلات تحويل عالية للكتلة الحيوية. وفي الجذور العرضية غير المحولة المزودة بـأندول بيوترك أسد، من المرجح أن تزداد كفاءة التحويل مع زيادة عدد العينات المزروعة المضافة إلى وسط الثقافة.

Download

Included in

Agriculture Commons

COinS