Nature：基因工程改造植物细胞壁大幅提高生物燃料产量

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Nature：基因工程改造植物细胞壁大幅提高生物燃料产量

美国印第安纳州普渡大学的Clint Chapple教授领导的团队通过遗传工程降低细胞壁中木质素含量，增加了细胞壁的可降解性，相关成果发表于近期的Nature杂志。
植物细胞壁中的木质素和半纤维通过共价键或是氢键交联，从而将纤维素包埋在其形成的网状基质中。因而，木质纤维类生物乙醇的生产需要对原材料进行预处理，使纤维素的立体结构利于纤维素酶的降解，从而释放出葡萄糖单体用于乙醇发酵。由于原材料的预处理和纤维素酶的使用，导致当前木质纤维素类乙醇的生产成本显著高于淀粉或蔗糖乙醇。
植物细胞壁木质素含有H、G和S三种类型的单体，但H型单体的比例不高，且主要在次生壁开始加厚的初期积累，因此木质素含量和成分的调控主要针对G型和S型单体的合成来进行操作。先前研究发现抑制G型和S木质素单体的合成，在显著降低木质素含量的同时，也造成了植物生长矮小的不利表型，因此制约了木质素基因工程的进一步应用。来自美国印第安纳州普渡大学的生物化学家Clint Chapple教授及其合作者发现，通过在G和S型木质素几乎消失的拟南芥突变体ref8（C3’H）中抑制转录调控复合体的介导因子MED5a和b，能够使原本生长矮小的ref8突变体植物恢复正常的生长和生物量。进一步研究发现med5a/med5b C3’H的三突变体的细胞壁中G型和S型单体的含量仍然保持痕量水平，而原本含量较低的H型木质素大量增加，从而使木质素的总量得到回复。具有上述特点的木质素结构使植物的细胞壁利于纤维素酶的降解，其未经预处理的细胞壁的降解效率是野生型植物的2倍。该研究证明了调控木质素的主要成分能够在不影响植物生长的情况下改变细胞壁的可降解性，从而增加乙醇、丁醇等生物燃料的转化效率。同时也向人们展示了木质素基因工程的巨大商业应用前景。